8.2 Измерение напрЯjKfhhoc I и электромагни гногополя

3j екгромагнитные волны, излучаемые аитонной переда<чика помехи излучаемые аппаратурой и другими источниками и распространяющиеся земным лучом, на достаточно большом расстоянии от источника можно рассматривать в первом приближении как плоские волны, поляризован­ные в вертикальной а к скости. Э тектромагнитное толе плоской волны характериз) ется системой трех взаимно перпендикулярных вектор» в Е. П. Н (рис. 8.1), где Е — вектор чапряж< нности электрического поля Н вектор напряженности магни гного поля П — век гор п ютносги потока мощности (вектор Пойнтин^а) , указыв иогций направление ра простране- ния электромагнит! ых волн. Чи< генные значения этих векторов одно­значно связаны между собой соотношениями Е/ Н = 120л: П = Е Н

Следовательно, при измерениях г апряженности электрс маг нитного поля дос гаточчо измерить только одно из значений —Е Н или П

Напряженность электромагнитного поля принято оценивать по ве­личине вектора электрическс] о поля Е и измерять его в вольтах на метр (мВ/м, мкВ м) В диапазоне сантиметровых волн напряженность поля более удобно определять по плотности потока мощности и измерять в ваттах на квадратный метр (Вт/м²)

Методы измерения напряженности поля зависят от величины изме­ряемого поля. Для измерения напряженности сильных полей использует­ся метод непс- редственной оценки т.е. прямого измерения ЭДС инду гированнои в приемной антеьне Нгпряжегность слабых э. гек ромагнит ных полей измеряется ме годом сравнения ЭДС индуцированной измеряемым полем в приемной ан­тенне с напряжением той же частоты вводимым в антенну

^ ^н от калибровочного генератора сигналов.

В комплект приборов для измерения напряженности

Рис. 8.|.Элек- _поля входят сп< циальные измерительные антенны. При 1ломагнитное „„ . ^г

_п, . плоско» измерениях на частотах ниже 30 МГц применяют ра-

волны мочную (одковитковую или многовековую) ИЛИ штыре-

ную антенну В полосе частот от 30 до 300 МГц использую антенш в виде симметричного тл>волнового диполя а на часто ^гах свыше 300 МГц -рупорные штенны В общем случае ЭДС е индуцированная в антенне полем напряжет--

• сетью Е, олределяется равет ством

e = Eh_v (8 1)

• це h — действующая высота антенны

Значение Л, определяется расчетным путем для любо- о типа антен­ны. Для рамочной антенны, состоящей из w витков, действующая высота рассчитывается по формуле

Рис 8.2. Измере­ние напряженно­сти поля мето юм непосредствен­ной оценки

2п 5и

где S — площадь рамки, X - длина волны электромагнитного поля

Тогда ЭДС шдуцированнаг. в рамке измеряемым nojieM

2п5и" е = овф.

X

1де ф — угол междч плоскостью рамки и направлением распространения I центром*- гнитной волны.

Для штыревой ант енны длиной I,

h=l)l.

Для полуволнового вибратора

Л_г = А/я.

При измерении напряженное ги поля методом непосредственной оценки (рис 8 2), рамочную антенну располагают в измеряемом поле настраивают антенный контур образованный рамкой и конденсатором переменной емкости, в резонанс с «аст этой измеряемых колебаний и ориентируют антенну так, чтобы получить на выходе антенны максимальный сигнал (ф = 90^е) Для обеспечения возможности ориентации антенны она за­крепляется на специальном координатном у строистве, которое позволяет осуществлять ее поворот и изменять пысоту подъема в требуемых пределах с заданюй ючностью

Измерение ЭДС, индуцированной в антенне, произ- ипдится лиоо высокочувстви тельным вольтметром с вы- t окоомным входом, либо посредством изме*эит"дьчых приемников с калиСров^анным усилением снабженных вольтметром на выходе приемника

При ре онансе. измеренное вольтметром наряжение ьа коьленсаторе С

U_c= Eh.Q.

откуда

Е = U_c/h,Q,

где Q — доброт ность антенного контура, с пределяемая расчетно или эксперименталь но

Если напряженность электрическо! о поля рассчитывается по на­пряжению U_Xb„ , измеренному на выхэде измерительного приемника ко­эффициент усиления которого К то

Е = U^JKh_g.

Если необходимо измерить плотность п этока мощности, го приме­няю¹ антенн! с известной эффективной площадью 5_эЛ и измеритель мощности Плотность потока мощности П определяю- по измеренной на выходе измерительной антенны мощности Р_вы„.

П ⁼ Рвых

Эффек ивную площа ц> антенны рассчит ывают по формуле

5_Эф = ЗОтс h ! R_a,

где R_a - - входное conpoTi вленме антенны

Измерение напряженности слабых полей методом сравнения произ води гея в соотв тствии со схемой рис. 8 3 Индицированная в антенном конгуре ЭДС е поступает на вход измерительного приемника и вызывает некоторое показание вольтметра Приемник и кон тур настраиваю я на частоту источника изл] чения и поворачивая рамку, добиваются макси­мума показания вольтметра £/_в Затем рамка .'вворачивается на 90^J и включается кали .ровочный енератор вводящий через ат тенюатор в рам\> напряжение той же частоты. Напряжение' вводимое ^генератопом в антен­ный кончу р

Uy - /Л/а, (8 2)

Клт'роеочный генератор

Рис Ь.З. Из ерега.. напряженн >сги поля методом сравнения

где R — входное сопротивление атте­нюатора; а — ко |ффициент ослабления аттенюатора I — ток на входе аттенюа­тора, измеряемый термоэлектрическим прибором. Напряжение t/j регулируется аттенюатором так «тобы лока: чние вольтметра Um стало таким же, как и при первом измерени¹ равенство показании означает" что U_r = U_B = e

П] иравняв (8 2) и (8.j) получим

Е = IR/ah_r.

Измерение п 1раметров индустриальных радиопомех производится ме­тодами и срсдс гвами , аналогичными методам и средствам измер ния на прячсенности радиопомех от излучения ралиоэлектроньых средств Раз личие зашло ается лишь в том, что индус триальные ралиогомехи имею в большинстве случаев хаоти^1,ескии импульсный хаг актер 'i. следовательно, в из mi рительном приемнике юлжна быть пред; с мотрен^ возможность не­которой интегр--* тьной оценки, позвотяющей охарактеризовать их ме­шающее воздействие Это юстигается с помощью етектирования напря­жения помехи, для чего в измерителя.с радиопомех предусм1 «трены детек­торы среднего, среднего квадратического и пикового значений

8.3, ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ РАДИОПОМЕХ

На переменном токе различают активную мощность Р_я, т.е. мощ ность, поглощенную в нагрузке, и реактньную мощность Рр

Р_л - UI coscp Р_р = UI апф,

j де U, I — среднее квадратическое значение напряжения и тока; ф фа­зовый сдвиг мез:щу иаиряжени) м и током.

Активна., мощность прецставляе г собги энер| ию которая выделя ггея в единицу врем !ни на сопротивлении на^ зки R В практике из лерения мощ­ности электромаггитною поля пользуют» я понятием среднего значения ак гивной мощное и. т.е.

Рс,= -ArrP(t)dl,

' О

где Т— период усреднения; P(i) — мгновенное значение мощности.

Приборы для измерения мощности называются ваттметрами Осо- оенностько измерений мощности на высоких час готах являе гея го. что при опре деленных условиях в тракте передачи, соеди 'яющем источник мощности с нагрузкой, могут одновременно существовать падаю¹ лая волна, характериз; емэи падающей мощностью Р_пад и отраж. ш [ая волна, характеризуемая отраженной мощное гью Р_отр. Падаю щая волна распро­страняется от источника к ншрузке, отраженная — от нагрузки к ис­точнику Посту иаюгцую в нагрузку мощность определяют по разности мощностей падающей и отражен юй волн и называют ее проходящей мощностью (рис. 8 4. а)

Р 1J.O" Риьд Ротр Р101 1 (8.3)

етрология, стандартизация и технические средства измерений

Принципы измерения мошности излучения в области высоких и сверхвысоких частот ос- а новань на преобраз! вании энергии электрг

мы нитного поля в другой, более удобный для измерения вид энергии с помощью соответст­вующих измерительных преобразователей. Ко роду используемых измерительных пре- Р№ 8 Прдкт передачи образователен вагтметры подразделяют на

мощности

тазовые, пон юромоторные и электронные. В зависимости от способа включения в тракт вагтметоы измеряют вдающую отраженную или поглощенную мощность Ват гметры про­ходящей мошност и (W_npox) позволяю измерять мошносп. троходяип ю к нагрузке, в реальных условиях эксплуатации систем В этом за­ключается ш несомненное преимущество (рис. 8 4,6} Ва гтметры по­глощаем эй мощност и включаю в тракт вместо р« альных натр*' юк. По­этому они не позволяют измерять мощность в реальных условиях рабо­ты систем так как лолное сопротив гение ваттметра в общем случае все­гда отличается от полного сопро гивленил нагрузки, вследствие чего возникает так называемая погрешность pa ог пасования Однако в связи с большей простотой схемных решений и методик измерения ваттметры поглощаемой мощности пол.) чили более широкое pat пространение.

По значению ьерхнег о предела измеряемой мощности различают вагтметры малой — до 10 мВт, редней — до 10 Вт и большой — свыше 10 Вт. мошности. Нам белее распространены ваттметры с теп­ловыми измерите н ными преобразователями Общим для раз точных типов тепловых преобразователей является наличие некоего ра­бочего тела, которое при воздействии на него электромагнитного поля нагревается за счет поглощения мощности излучения При этом перегрев рабочего тела ьад температурой окружающей среды 6 явля­ется фу нкцией поглощенной мощности Р_погл. Отсюда следует, что. измерив перегрев рабочего тела и имея зависимость (.°_погл), можно определить Р„огл- В качес гве рабоче] о тела в тепловых преобразова- телях мощности используются темпера-урозависимые резисторы, термопары объемы воды (калориметры) Для технич еских измерений чаще используются измерительные преобразователи с гемпературо зависимыми резисторами; болометрами или термисторами. Ва гтмет - ры на основе болометров и т ермис торов обеспечивают измерения малых уровней мощности (от 100 мВт и ниже)

Болометрам называю гея vep\ орезисторь выполненные в виде тонкой (1. 10 мкм) прово ючки или пленки из чистого металла (платины. вольфра­ма) Зависимость сопротивления болометра от температуры описывается известной форму лой

		Н
	Линия передана

б

R,= R,<] + at), (8 4)

где Ri, — сопрот явление болометра при 0^JC; а — температурный коэф­фициент сопротивления металла t — темпера "ура.

С учетом (8 4) черегрев болометра на 6° над температурой окру­жающей среды приводит к припащению его с э противления на AJR - = Ro<xQ которо". мсжет быть измерено

Тармисторы (гл 9) представляют собой полупроводниковые термо­резисторы г отрицательным температурным коэффициентом сопротив­ления Термисгоры для измер< ния мощности изгетав 1ивают из смеси окислон различных м: галлов в виде миниатюрных бусинок диаметром и,2. 0,5 мм, снабженных юнчайшими проволочными выводами Зави симос гь сопро" ивления термисторов от температуры нелинейна. Темпе­ратурный коэффициент сопротивления термистора зависит от темпера­туры в пределах рабочего диа газона температур он на поря_мок выше, чем у болометра, что обес^г ечивает большую чувствительность терми- сторног о ваттмег ра

Для удобства монтажа в тракт передачи мощности и обеспеченит требуемого режима измерения мощности терморе шеторы мснтируются в специальные конструк' явные элемент ы (коак иальньи и волчоводные вс гавки] Измерение сопротивления терморезистора чаще всего произ- зо щтся с помощью мостовых схем Упрощенная схема терморезистор- ног о моста постоянного тока приве дена на рис. 8 5 Терморезистор включен в одно из плеч моста Солро¹ ивление резистора R₃ устанавлива­ется примерно равным сог ротивлению Р₄ Сопротивления плеч R_} = R₂. Измерение поглощаемой мощност и производит, я в два этапа Вначале, не подавая н? вход ваттметра мощность, уравновешивают мост подбором •противления Д, и вольт метром вь соким входным сопротивлен емизме- гяют на] ряжен! ie Ь\ на резистоое Ri Поскольку при равновесии = Ri. то мощность рассеиваемая резистором

(8 5)

Затем на вход мост а подают измеряемую мощность Р_Вч» в результате чего происходит нагрев терморезиетора i?₄ Регулировкой (уменьшением) напря­жения пи гания мое га вновь уравновеши- ьают мост и измеряют напряжение U₂ на резисторе R₃ При этом суммарная мощ- н эсть, поглощаемая терморезистором

Pm + Pt = Рвч+ UllR^ (8 6)

Рис. 8. "5, Схема терморезист ipnorj моста хля измерения мощности

Поскольку и в первом, и во втором случаях мост уравновешен, то приравняв (8.5) и (8 6) получим

В ваттметра) выпускаемых гром! лишенностью, обычно применяются мостозые схемы с автоматическим уравновешиванием, что упрощает проце­ди ру измерения. Достоинствами герморезисторныл ваттметров является широкий диапазон частот (0.03... 100 ГГц) и относительная простота схем­ных решен! й Пределы допускаемых погрешностей ггких ва"-чи< тров 2.5. .25%. К недостаткам можно отнести возможность измерения только ма лих уровней мощности, малую перегрузочную спосооность болометров и термисторов и невысокую стабильность их сопротивления.

8.4. ВАТТМЕТРЫ ПРОХОДЯЩЕЙ МОЩНОСТИ

Для измерения проходящей мощное ги наибольшее распростране­ние получили ваттметры на осноче hp правленных тветвителей. Ни- правпенным лпветвителсм называется устройство позволяющее от­ветвлять часть проходящей в основном тракте мощности падающей и отраженной волн в боковой канал При этом падающая волна ответв­ляется в одно плечо Канала, а о граженная в дру гое. На рис. 8 6 штриховыми линиями показан путь распрос гранения падающей волны мощности. К выходу правого плеча бокового канала ответвителя под­ключен ваттметр поглощремой мощности B1IM. фиксирующий мош-

ност ь Р_тл, являющуюся час гью падающей в основном канале мощно­сти. К выходу левого плеча бокового канала ответиителя по пелючен чат-метр BOAL фик ируюший часть о граженной мошности. Выходные сигналы ваттметров поступают в отсчетное устройство с?У, осуществ­ляющее вычитание сигналоь в < оо^в.тствии с (8 3) Таким образом, показания ОУ соответствуют проходящей мощности.

Достоинствами ваттметров на основе направленных ответвителей являются широкие пределы измеряемой мощности 10 ^J 10⁵ Вт; воз­можность раздельного измерения гздаюшей отраженной и проходя- шей мощности. Диапазон частот таких ваттметров 0 ,03. .4и ГГц, пре­делы допускаемых noi решьостей 2,5 25%.

Рис 8 6. С., «а ваттметра походящей мощности на направл( нном „гветвитете

Глача 9

ЭЛЕКТРИЧ1 :CI:IIE ИЗМЕРЕНИЯ 1 п ЭЛЕКГРИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН

9 J. ОБЩИЕ ^ВЕДЕНИЯ

Среди множества физические величин большая час гь относится к не- электричсским (температура вгажность, скорость, ускорение, переме­щение и т.д.). При измерениях таких величин часто возникают задачи дистанционного измерения передачи, ре) ис грации и обработки измери­тельной информации. Наиотчшим образом эти задачи решаются путем преобразования измеряемой неэлектрической величины Х_ш в элек­трический сигнал Хг,, связанный с измеряемой величиной однозначной функциональной зависимостью Х_э = ДХ_т) Полученный электрический сигнал измеряется ,-редствами электрических измерений или может был передан по линии связи на значительное расстояние

Преобразование неэлект рическои аеличины в электри¹ ескую осуще­ствляется с помощью измерительных прео «разов а тел ей ИП — датчиков (рис 9 I) Структур► ая схема любого средства измерения неэлек­трических величин электрическими методами содержит такой измгри тельный преобраз ватель

Измерительные преобра^ова гели классифи.тируют по роду измеряе­мой величины (температуры, давления, влажности и др) и по выходной величине (генера^ орные. параметри геские)

Выходным сигналом генераторные дат шкив является ЭДС. на­пряжение. ток или электрический заряд функционально связанные с измеряемой величиной В парам' триче :ких преобразователях выход­ной величиной является изменение параметра электрической цепи (Р., L Q

Важнейшими метрологическими характера гиками измерительных преобразователей являются иоминатьная статическая характеристика преобразования чувствительность, основная и дополнительные по­грешности, динамические характера гики и др.

Промышленностью выпу скаются как отдельные измерительные пре- образоват ели неэлсктрических величин, гак и приборы для измерения неэлрктрических величин нео гъемлемой част, ю которых является соот­ветствующий датчик

ИП

Рис. 9.1 Сгрукт "рная схема преобразова­ния н алектриче^-сих величин

Поскольку средства электрических измерении применяемые лри из мерениях неэлектрических величин, имеют как пра­вило, несравненно лучшие метрологические х фак- геристики по (равнению с датчиками неэлек- грических величин, то основной вклад в погреш­ность результата измерения вносится сос авляющей, обусловленной погрешностью датчика. Это нсобхо-

димо иметь в виду при вг i6ope датчике >н неэлектрических вели i н для решения конкре^- ной измерительной задачи.

Рассмотрим при к типы действия и у тройство некоторых преобразс вателей неэтектги »еских величин

9.2. ГЕНЕРАТОРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Термоэлектрические преобразовать ни .термопарьМ Эти преобразова­тели применяются для измерения температуры. Принцип действия тер­мопары поясняется рис. 9 2, а, тцг изобр аженр термоэлектрическая цепь, состав пенная из двух разнородных проводников А и В Точки 1 и 2 со­единения проводников называются спаями термопары. Если температу­ры t спаев 1 и 2 одинаковы, то ток в термоэлектрической цепи отсутст­вует Если же тем-.ера iypa одного из спаев (например спая 1) выше, чем TCMnepaTvpa спая 2, то в цепи возникает гермоэлектродвижущая сила (1 ЭДС) Е зависящая о разности температур с паев

E--Ah~h\ (9 1)

Ее ги подд' рживать температур\ спая 2 постоянной, то

E=Ahl (9 2)

3tv ави имос гь используют для измерения температуры с помощью термопар Для измерения ТЭДС электроизмерительный прибор вклю чают в разрыв спая 2 (рис. 9 2. б) Спай 1 называют горячим (раоотим)

спаем, а сгай 2 — холодным (концы — 2 и 2 называют свободными концами).

Ч*обы ТЭДС термопары однозначно оп­ределялась температурой горячего спая, необ ходимо температуру холодного спая одер­живать все] да одинаковой

Для изготовления электродов термопар используют как чистые металлы, гак и специ­альные сплавы стандартизованного состава. Градуиривочные таблицы для стандартных термопар составлены при условии равенства тем юратуры свободных концов 0°С. На прак­тике не все: да удается поддерживать эту тем­пературу В аких случаях в п казаг я термо­пары впедя поправку на температуру сво­бодных концов Существуют схемы для авто­магического введения поправок.

2

<z >

' \ ²

■О^-

в t

Щ 'о

г I

Рис 9 2. Термо: [ектрически< цепи

Констр; ктивно термопары выполняются в виде двух изо тированных /-ермоэлектродов с рабочим спаем, поручаемым способом сварки

помещенных в защитную арматуру преоохраняющую термопару ог внешних воздействий и повреждений Рабочие концы термопары выве лены в головку термопары, снабженную зажимали для включения тер- мо тары в электрическую цепь

В габл 9 1 приведены xf рактерист ики термопар, вып; екаемых про тышлениостью Для измерения высоких темпера/ур применяю^ термо­пары ПП ПР и BP. Термонары из б агородных металлов используют 1фи измерении с повышенной точное [ью

В зависимости от конструкции термопары мо]ут иметь тепловую инерцию Характеризуемую постоянной времени от единиц секунд до не- ско.|1ьких минут что ограничивает возможность их применения для из мерения быстроменяющихся темгерагур

Кроме включения измерительного прибора в спаи термопрры воз можно включение прибора «в э^ектр" р>, т.е. в разрыв одного из термо­электродов (рис. 9.2, в) Такое включение, в соответствии с (9 1), позьо- ляет измерять ргзность гемпера ур /| - /₂ Например, мож^т быт» изме­рен иерегре" обмоток трансформатора над температурой окружающей реды при его испытаниях Для этого рабочий спай термопары заделы в акт в обмотку а свободный спаи оставляют при температуре окру жающей среды

Треоов^ние постоянства температуры свободна к концов термопары ■мну ждает по возможности удалять их от места измерения Для этой це­ли применяют так называемые удлиняющие или компенсационные про нода КП подключаемые к свободным концам термопары с соблюдением толярногти (рис. 9.2, г). Компенсационные привода составляю ся из разнородных проводников которые в интервале зозможных колебаний темпепатуры свобо гных концов развивают в паре между собой дакую же ТЭДС как и термопара Поэтому, если песта тодключения компенсаци онных проводов находятся при температуре f₂, а темгература в месте

Таблица 9 1

В ерм пара	Обозна гение	Диапазон применения ^вС
Медь-копель	МК	-200. )и0
Хромель копель	ХК	200...600
Хроме "ъ-алюмечь	ХА	-200 1000
П .атич! родий ('0%Rh) - пл_тин_	ПП	0...1300
Ллатинородий (30/»Rh) - Пдати- нородий (6 oRh)	ПР	300 1600
Вольфрамрени; г (5%Re) - во п>ф- j амрений (20%R~)	BP	0.. 22l>0

подключения термопары к прибору to- то ТЭДС термопары будет соот вествовагь ее градуировке при температурь свободных концов /₀-

Максима1П>ная развиваемая стандартными термопарами ТЭДС со ставляет от единиц до десятков милливольт

Для измерения ГЭДС могут применя .ься магнитоэ 1ектрические, электронные (аналог овые и цифровые) а илливольт* етры и потенцио­метры постоянного гока При испо. ьзовании милливольтметров магнп тоэлектрической системы следует иметь в вицу, что измеряемое милли вольтметром напряжение на его зажимах

U = 1R_B,

iде /— ток в пепи термопары, a R₄ — сопротигпение милливольтметра Так как источником тока в цепи является термопара то

где R _н — сопротивление v4acnca цепи внешнего по отношению к мил- тиво (ьг,„етру (те электродов термопары и компенсационных прово­дов). Поз гому измеряемое милливо ьтметром напряжение будет равно

U = E/(\ +Д_вч/Ль)

Таким образ" >м показагия милливольтметра тем больше отличаю гея от ГЭДС термопары, чем больше от ношение R_1Н IR_B. Д.гя уменьшения погрешности от влияния внешнего сопротивления милливольтметры, предназначенные для рабо ы с термопарами (так называемые пиромет­рические милливольтме фы) градуируются для конкретного типа термо­пар и при определенном номинальном значении R_K указываемом на шкале прибора. Пирометрические мпллизотьтметры серийно зыпу«;ка- ю гея классов точности от 0,5 до 2,0

Входное сопротивление электронных милливольтметров очень вели­ко, и влияние сопрот явления R, на показания пренебрежимо мало

Пьезоэлектрические преобразователи Таги прег>оразователи осно­ваны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта за клюкающегося в появлении электрических зарядов на погерхности не­которых приставов (кварца, турмалина, сегыговой соли и др | под влиянием механи еских напряжении Пьезоэ. (ектрическим эффектом об­ладаю» также некоторые поляризованные керамические материалы (тпганат бария, цирконат-титана г свинца)

Если из кристалла кварца вырезать п гастинку в фор„;е параллелет (еда с гранями распо'оженными .ер ендикулярно оп-мческой 0; механической 0\у и электри 1еской Ох осям кристалла (рис. 9 3), го при воздействии на пла­стинку усилия F, направ енного вдоль электри еской оси, на г ранях х пс ■ являются заряда

бх-ад, (9 3)

где K_r — nbe303j ектрическии коэффициент (мо­дуль)

При вочдейст вии на .тастину усилия Т_у вдоль механической оси. на тек же гранях х эозш кают »а- ояды

Q=K_nFa'b

где а и О — размеры граней пластины Меха - Рис. 9.3. Пластина из ническое воздействие на пла». гину вдоль оптической кристалл» кварца оси появления зарядов не вы .ывает

Пьезоэлектрический эффект является знакопеременным, при из­менении направления при ^тагаемого усилия знаки зарядов на поверх­ности граней меняю гея на грот ивоположные Материалы сохраняют свои пьезоэлектрические свойства только при температурах ниже точки Кюри.

Величина пьезоэлектрического ко >ффициен га (модуля) К_п и темпе­ратура точки Кюр I для кварца и распространенных Kepat ических пье- зоэлектриков приведены в табл. 9 2.

Изготовление преобразователей из пьез< "керамики значительно проще чем из монокристаллов Керамические датчики производя - по технологии обычной для ради_>кераммческих изделий — путем прессо­вания или литья под давлением: на керамику наносятся э гектроды, к электродам привариваются выво ы Для поляризации керамические из- лелия помещаю в сильное э "ектричегкое поле, после чего они приобрс т ают свойства пьезоэл жтрикоь

	А !	Z
	/о" / /	л
* X

Электродвижу 1ая сила, возникающая на электро *ах пьезоэ тек- трического лр. эбразователя довольно значительна — е лницы воз.ьт. Однако, если сила приложенная к пр образова ^гелю постоянна, то изме­рить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро . гекает через входное сопротивление вольтметра Ьсли же сила переменна и при этом период изменения сипы много меньпе постоянней времени разрлдя определя :- мой емкостью преобразователя и сопро гивлением утечки, то процесс х течки почти не влияет на выходное напряжение преобразователя При изменении силы Fro закону F = F_rosinof ЭДС -акже изменяется синусои­дально

Таблица 9.2

Материал ^марка)	Кп.Кл/Н	Точкч Кюри 'С
Кварг	2,3-10""^2	530
Титана Зария (ТБ-0	70,0-10"^12	■ 20
Циркинат-титаиат свинца (ЦТС-191	. 19,0 10	290

б

Рис 9 4 Схема и устройств г .. »езс» вктричес! . датчика

Таким образ! >м, измерение неэлектричес ких величин, которые могу г оы^ть преобразовэ ы в переменную лигу, действующую на пьезоэлек­трический преобразователь сводится к измерению 1еременного напрч жеиия или ЭДС

Пьезоэлектрические измерительнь е преобразователи находят широ­кое применение аЛЯ измерения параметров движения: линейного и виб- рационнсго yci орения, удара, акустических сигналов.

Эквивалентная схема пьезо_»j.гктрического преобразователя пред­ставлена на оис 9 4. а, в виде ген pai opa с вн> фенней емкое гью С. По­скольку мощност» такого пьезо 'пемента чрезвычайно мала то для из мерения выходного на.тряжения необходимо применять приб< рь с бо тьшим входным сопротивлением (10^м... Ю^|СОм).

Для увеличения полезного сигнала пьезо [атчики выпо гняются из не- ско: [ьких последовательно соединенных пьезочлсмен^ов

Устройство пьезоэ ектрического да™ика для измерения вибрацион­ного ускорени я показано на рис 9 4, б. Пьезоэлемент (обычно из пьезо- керамики) нагруженный известной массой т, помещен в корпус 1 и чергз выводы 2 включен в цепь электронною милливольтметра V Подставив в формулу л ля возникающего на гранях заряда выражение F = та, где а — ускорение и учт я (9 3), получим

U = Kja

где К_я — кооффициен: .реобразованим датчика по напряжению

9.3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Термометры сопротивления ^термометоы сопротивления как и тер­мопары >редназначены д,тя измерения температуры i азообразных. твердых и жидких тел. а также температуры поьерхности. Принцип дей­ствия термометров основан на использовании свойства металлов и по­лупроводников изменять свое электрическое со ротивление с темпера­турой Для проводников нэ чистых металлов эта зазисимость в области температур от -200- С до 0°С имее^т вид:

а

R, = Л₀Г1 + At ■+ JBt² ч C(r - ¹ИСД

а в области температур от О С до 63С' С

R, = R₀(\ + At+ Bt*),

где R_r R₀ — сопротив: ение проводника при температуре t и О °С; А В С — коэффициенты; t — температура, °С

В диапазоне температур от О X до 180 С зависимость сопротив ния прово лика от температуры описывается приближенной формулой

R^R^Uat),

где а — температурный ко.^ффициенг сопро гив: к ния материала провод­чика (ТКС)

Для проводников из чистого металла а ~ 6 Ю~ 4-10 град Для полупроводниковых материалов зависимость сопро™нвления от температуры имеет вид

R_r= Aexp(Bt 7),

где А В — постоянные; Т— т емпература, К

Изм рение температуры термометром сопротивления сводится к из­мерению его сопро гивления R, с последующим переходом к температуре t по формулам или фадторовочным таблицам

Различают проволочные и по., ^проводниковые термометры сопро­тивления. Проволочный термометр о ^противления тред тавляет собой тонкую проволоку из чистого металла, закреп 'енную ia каркасе из тем- ..ературос гоикого материала (чувствительный элемент), помещенную в защи гную арматуру (рис. 9 5) Выводы от чуьствительно1 о элемента подведены к головке термометра

Вь бор для изготовления термометров сопротивления прово юк из чистых металлов, а не сплавов, обусловлен тем что ТКС чистых метал лов больше, чем ТКС сплавов и, следовательно, термометры на основе чистых мета|1лов об. гадают бо 1ьшей чувствительное гью

Промышленностью выпускаются платиновые, никелевые и медные тер мок етры сопротивления Для обеспечения ьзаимозаменяемости и едино!. градуировки термоме] ров стандарт изованы вели шны их сонро гивления R₀ и ТКС В табл. 9 3 привс цены основные данные о термо­метрах сопротивление

Зависимость со^г ротивления термометров ГСП. ГСН и ТСМ от тем пературы дается стандартными градуировочными iaoчипами состав ленными для ряда значении R_n (1,10,50, 100.500 Ом)

oh-ГтМгМгМгГ

Полупроводниковые термометры со противления (гермисторы) "редставляю^г - собой бусинки диски или стержни из по- иупроводниково» о ма гериала с выводами р_Ис. 9.5. Чувствительный элемена для подключения в измери тельную цепь. термометра сопротив! .ния

Таблица 9 3

Тип	Материи I чувствительиог	Диапа юн гемперртур
термометра	шемента	применения. °С
ГСП	Плг гина	-260 1100
ТСН	Никель	-50 180
ГСМ	М„дь	-200.. 200

Промышленность серийно выпускает множество типов термисторов в различном кон лруктивном оформлении

Размеры 1 ермис горов как правило малы — около нескольких милли мефов а отдельные типы десятых долей миллиметра Для предохранения от механич ;ских г овреждений и воздействия среды термист оры защищаются п экрь. -иями из стек ia .мали, а такж металлически ии чехлам i

Термистор! I обычно имеют сопротивлени от единил то со ген килоом; их ГКС в рабочем диапазо] е температур на порядок больше, чем у прово­лочных термометро" В ка [естве материалов для рабочего тела терми< ^оров использую смеси оксидои никеля марганца, меди, кобаль.а. которые сме­шивают со свя: ующим веществом, придают ему требуемую форму и опекают при высокой температуре Применяют термисоры для измер< ния темпера­тур в ди пазоне от -100 до 30и°С. Инерционность терм- сторов сравнитель­но ] евелика К "ислу их недос .чтков следует отнести нели¹ еиность темп< ра- турной зависимости сопротивления отсутствие взаимс заменяемости из-за большого разбпоса номинального сопротивления и ТКС, а также необра­тимое изменение сопрстивления во времени

Для измерения в области температур близких к абсолютному нулю, применяются германиевые полупроводниковые термометры

Измерение электрического сопротивления термометров производит­ся с помощью мостов постоянного и переменного тока или компенсато­ров Особ-нноетьго гермиметричгских измерений является ограничение измерительного гока с тем, чтобы И( ключи гь раз< i рев рабочего тела термометра. Для проволочных -уермоме фов сопрот ивления рекоменду­ется ьь-брагь такой измерительный ток, чтобы мощность, рассеиваемая термометром, не превышала 20 50 мВт Допустимая рассеиваемая мощность в термист орах значительно меньше и ее рекомендуется опре­делять экспериментально для каждого термистора.

Тензочувсвительные преобразовчтели »тензорезисторы} В конструк- т орской практике часто необхо.димы измерения механических напряже­ний и деформаций в элемен гах конструкций Наиболее распространен­ными преобразователями этих величин в электрический сигнал являются ензорезисторы. В основе работы гензорези. торов лежит свойство ме­таллов и полупроводников изменят ь свое электрическое сопротивление под действием приложенных к ним сил Простейшим т ензорезисторим может быть отрезок проволоки, жестко сцепленный с поверхностью де - |)opMHpveMofl детали Растяжение или сжатие детали вызывает поопер- 140 циональное растяжение или сжатие проволоки, в результате чего изме­няется ее электри геское сопротивление. В пределах упругих деформаций относительное изменение сопротивления проволоки связано с ее относи­тельным удлинением соотношением

ARIR=KAhl (9 4)

где I, R — начальные длина и со тротивлен-е проволоки; Д/ AR — при­ращение длины и сопротив ^тения, К_т — ко >ффипиент тензочувст- ви гельности

Величина ко >ффициента тензочувгтвительности зависит от свойств материала из которого изготовлен тензорезистор. а .акже от способа креп .ения ген?орезистора к из гелию Для метал тических проволок из различных металлов К^ = 1.. 3,5.

Различают проволочные и полупроводниковые тен юрезисторы Д;гя изготовления проволочных тензорезнсторов гри меняютя материалы имеющие достаточно высокии коэффициент гензоч вствительнос ги и малый температурный коэффициент сопротивления Наибо. iee употре бительным материалом для изготовления проволочных тензорезист оров является константановая проволока ди?метром 20 30 мкм

Конструктивно, проволочные гензорезисторы представляют собой решетку состоящую из нескольких петель проволоки, наклеенных на тонкую бумажную (или иную) подложку (рис. 9.6) В зависимое™ от ма­териала подложки гензорезисторы мо1ут работ ать при температурах от -40 до +400 'С Существу ют конструкции течзорезчеторов, прикрепляе­мых к поверхности деталей с помощью цементов, способные работа ь п ри температурах до 300 °С

Основными характеристиками ^тензорезисторов являются номинал! ное сопротивление R, база / и коэффициент тензочувствительности К_г

Промышленностью вьн ускается широкий ассортимент тензорези- сторов с ве шчиной базы о^т 5 до 30 мм, номинальными сопротив гениями от 50 до 2vJ00 Ом. с ко >ффициентом гензочувствительносги 2^0,2.

Дальнейшим развитием проволочных тензорези» торов являются фольговые и пленочные теюореэисторы. чувствит ельны м элементом ко­торых являю то решетка из полосок фольги или тончайшая метал лическая пленка наносимые на подложки на ла­ковой оснозе

Гензорезлсторы выпо .няются на основе по­лупроводниковых материалов Наиболе: сильно ензоэффект >ыражен у германия кремния и др Основным отличием полупроводниковых тензо- резис горов от прогэлочных являет ся большое (до 50° о) изменение сопротивления при деформации благодаря большой величине коэффициента ген- Рис 9.6. Тензометр

зочувствительносги (от-100 цо +200)

Измерение сопротивления тэеорезисго- рив производится геми же методами и средст­вами что и тепмометрчв сопротивления

Для измерения м< ханического наьряже ния в элементе конструкции тензорезистор наклеиваю' на исследуемый элемент в ин- - , ^гересуюгцем сечении таким образом ч^тобы

f его продольная ось совпадала с направле

* ннем деформации (рис 9.?) Ьсли н? эле­

ст -Е

мент коы грукции действует сила F , то ве личина возникающего в нем механического на¹ ряжения ст = F/S связана с относитель ной деформацией е = ALIL соотношением о р еЕ. гпе S — поперечное сечение элемента. Е — модуль упругое ги материала. L — длина образца

Учитывая (9 4) получим

AR RK

Измерив ДR ензорезис гора можно по известным R. К_л и Е опреде­лить напряжение о.

Индуктивные преобразователи Индуктивные преобразователи при­меняются для изы'рения перемещений, размеров, отклонений формы и расположения поверхностей Преобразователь состоит из неподвижной катушки индуктивности с магнит опросодом и якоря также яв.гяющсгося частью магнит опров ода. перемещающегося othocv. дельно катушки ин "уктивности. Для получения возможно бо 1ьшей индуктивности магнит"- провод катушки и якор'> выполняются из ферромагниттн ь«х материалов. При перемещен» и якоря ^вязанного, напр имер. со щупом измери ельного устройства) изменяется индуктивное гь катушки и, следовательно, изменя­ется ток протек; .отций в обмотке.

Н? рис. 9 8 приведены схемы индук­тивных преобразователей с перемен ■ ннм во душным зазором б (рис 9 8, а). применяемых для измерения перемегце- нии в пределах <1,01. 10 мм; с перемен- ^— ной площадью возл\шного зазора S_f (рис. 9.». о) применяемых в диапаз же 5 20 мм

^{а 6} При небольшом зазоре S инлукт ив-

F/2

Рис 9 7 Тензометр на исследуе­мом объекте

Рис 9.8 Индуктивные преоб^азовате- ^Н°^{, Т}Ь катушки преобразователя (рис ли леремещентй 9,8. а)

где и- — число витков обмотки; R_M R_& — магнитное сопротив .ение маг- нитопровода и зазора, 1_Ы — средняя длина магнитной силовой чинии в мргнитопроводе. S. 5₀ — площади се юния магнитопровола и воздушно­го зазораI р, - магнитные проницаемости материала магнчто провода и воздушного зазора

Когда магнитное сопротив ение сазора значительно больше магнит ного сопротивления магнитопровода т.е. А* » R_M или о » /_м '2р bi ipa- женк (9 5) принимает вид

L = /2й. (9 6)

Индуктивные преобразователи с переменным зазороп имеют высокую чувствительность и реагируют на изменение зазора 'орядка 0,1 .0,5 мкм Ток в обмотке кату шки о -ределяется выражен-. м

I=UI R² + a²L², (9 7;

где U — напряжение питания; R — ак гивное сопрот ивление обмотки со — частота питающего напряжения

Из (9 6) и (9 ⁷) следует, что зависимость I =/{$) нелинейна Спрямле­ние нелинейное ги дс стигается применением дифф.фенцг.альнь-х преоб­разователей с двумя рачдель. ыми магнитными цепями и обшим якорем Инду ктивные преобразователи широко применяю г в современных сред- твах линейных и угловых измерении профилографах контро тьных ав­томатах и в э 'ектронных аналоговых и цифровых приборах для актич ного контроля линейных размеров Приведенная погрешность индук­тивных преобразователей не превосходит 1 .2" о.

Главе, j 0

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

10.1 ОБЩИЕ СВЕД1 НИЯ

При работе средств измерений в динамическом режиме (в режиме динамических измерений) возникает специфическая составляющая по­грешности — динамическая погрешность В общем случае, при измере­нии величин., изменяющих! я во времени, динамическая погрешность Ах является функцией времени

Лх(г) = Л(г)чзм - С(Г)„с1

Цинами ческой может являться и погрешность при измерении постоянной вели ины jc₀ инерцион­ным средством измерении 'рис 10 1) Ес.ш отсчет показаний средстьа измерения производится в мо­менты времени t £ t_ycT, то динамическая погреш ность отсутствует и режим измерения является ста гическим В ин гервале времени от 0 цо t_ycr средство измерения работает в динамическом режиме и ди­намическая погрешность акже изменяется во вре­мени

Целью обработки результатов динамических измерений является либо нахождение сигнала на выходе средства изме­рения л(г)_шм по заданному сигналу на входе x(t)_K„, либо нахождени значения входной величины средства измерения по значениям выходной ~1еличины Точное решение последней задачи с учетом реалъ *ых свойств входного си^- нала и средства измерения заталкивается на серье?чые ма тем аз ические ip> дности. Поэтому при анализе динамических режимов средств измерений и динамических погрешностей часто прибегают к оп­ределенным упрощениям и ограничениям, накладываемым на входные сигналы по тагая, что они являются неслучайными и дегерминироЕан ными (ступенчатые, гармонические и др), а среде два измерений — ли­нейными звеньями

При т аких ограничения?' динамические погрешности измерениг по характеру проявления являются сист ематическиыи и задача отыскания х(г)игт своди-ся к введению поправки в результат измерения В ряде случаев пр едварительное оценивание динамических погрешностей необ­ходимо для решения более простой задачи — выбора средства измерения с такими динамическими свойствами, чтобы при заданном (известном) характере входного сигнала динами ески : noi решности не превосходи­ли допустимых значений. Для нахождения динамической погрешности необходимо знание динамических характеристик средства измерения, его динамичзских свойств Существуют различные способы описания этих свойств на основе использования достаточно большого набора тех или иных динамических характеристик Действующими стандартами предусматривается выбор динамических характеристик средств измере­ния из числа наиболее удобных для использования и жепериментально- го определения

Динамические хсрак рис тики средств измерения подразделяют ся на полные и частные К полным динамическим характеристикам относятся дифференциальное уравнение, перенаточная функтия. переходная и им­пульсная переходная харак геристики, совокупность амплитудно-частот­ной и фазочастотной хар актеристик.