3.2. Средства измерения скорости и ускорения

Ускорение – динамическая характеристика объекта. Согласно второму закону Ньютона оно возникает только после приложения к объекту какой-либо силы. Перемещение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными физическими величинами: скорость – это первая производная от перемещения, ускорение – его вторая производная. Однако взять производную сильно зашумленного сигнала практически невозможно, поскольку это приводит к возникновению очень больших погрешностей даже при использовании очень сложных схем обработки. Поэтому скорость и ускорение объектов не всегда можно определять по данным, полученным при по-

мощи детекторов перемещений, и для этого необходимо применять

скорости. Тогда как на высоких частотахД, когдаИперемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения [11].

специальные схемы. Как правило, в низкочастотной области (в полосе

частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспе-

чивают датчики положения и перемещения объектов. В зоне средних

частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики

Акселерометры считаются устройствами с одной степенью свободы. В состав всех акселерометров входят: специальный элемент,

фирующее устройствои(рбс. 3.8). Независимо от конструкции датчика ускорений егоСосновная цель заключается в детектировании перемещения этой массы относ тельно корпуса устройства и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Поэтому другой составной частью всех акселерометров является детектор перемещений, способный измерять микроскопические амплитуды вибрационных колебаний или линейных ускорений.

называемый инерционной массой, движение которого отстает от дви-
жения корпуса, упругая поддерживающаяА	система (пружина) и демп-

2

1

x

Рис. 3.8. Схема датчика ускорений: 1 – корпус; 2 – подпружиненная масса

45

Датчики ускорения обычно выполняются на принципе замера инерционных нагрузок, воздействующих на ускоряемый объект, т.е. применяется принцип Д’Аламбера.

где				тела,	и,	– сила, приложенная к телу.
	– массатела,		– ускорение
				̈=	и
	Датчик	представляет собой корпус 1, внутри которого находится
			̈

подпружиненная масса 2, при действии сил инерции на эту массу расстояние между корпусом 1 и массой 2 изменяется. Зная жёсткость пружины и фиксируя это расстояние с помощью потенциометрических, тензометрических или других датчиков, можно определить ускорение, прилагаемое к объекту.

											И
Наиболее компактные и быстродействующие датчики ускорения
можно получить на базе пьезоэлемента (рис. 3.9).
										Д
			2
									А
1
							б
							x
3		4		и
		С

Рис. 3.9. хема датч ка ускорений на базе пьезоэлемента:

1 – корпус; 2 – подпружиненная масса; 3 – пьезоэлемент, выполняющий роль пружины и первичного преобразователя; 4 – обкладки для снятия электрического сигнала

Принцип действия: под действием силы инерции на массу 2 эта масса сжимает или растягивает пьезоэлемент 3, на противоположных гранях пьезоэлемента 3 возникает разность потенциалов, пропорциональная его деформации, которая, в свою очередь, пропорциональна силе инерции, пропорциональной ускорению.

Датчики ускорения необходимы для ограничения динамических нагрузок, действующих на технический объект, и для разработки систем защиты человека от технического объекта, избыточных динамических нагрузок.

46

Датчики скорости могут выполняться на базе вышеперечисленных датчиков с помощью дополнительных систем, осуществляющих дифференцированные сигналы положения объекта в течение вре-

мени (рис. 3.10).

	1
S	N

3

2

4

5

Рис. 3.10. Схема датчика угловойИчастоты
вращения вала (принцип спидометра):
1 – стрелка; 2 – шкала; 3 – катушка из цветного
Д
металла; 4 – магнит; 5 – привод
Для того чтобы змер тьАугловую частоту вращения ω вала при-

вода 5, вращают магнит 4б. При вращении магнита 4 в катушку 3 наводится ЭДС, благодаряСвза модействию магнитных полей катушки и магнита происход т поворот катушки, которая сдерживается пружиной, чем больше угловая частота ω, тем больше интенсивность магнитных полей, а значит, и отклонение подпружиненной стрелки 1.

Для измерения угловой частоты также может применяться датчик Уатта (рис. 3.11).

R

 

Рис. 3.11. Схема датчика угловой частоты вращения вала (принцип Уатта)

47

Индукционные датчики являются наиболее распространенным классом активных датчиков как по заложенным в них принципам действия, так и по назначению и конструктивному воплощению (рис. 3.12). Они могут быть постоянного и переменного тока (однофазные и многофазные) и обычно используются для контроля частоты вращения, углового ускорения, угла поворота, скорости и ускорения линейного перемещения. Эти датчики могут выдавать значительные выходные сигналы как по напряжению, так и по мощности, в широком диапазоне изменения контролируемой величины имеют практически линейную характеристику, хорошо противостоят кратковременным механическим и электрическим перегрузкам, просты в обращении.

Рис. 3.12. Схема индукционного датчика положения (скорости)

СибАДИ

Принцип действ я. Магн тно-индукционный датчик состоит из катушки индуктивности, внутри которой находится сердечник из мягкой стали, соединенный с постоянным магнитом. Стальной сердечник расположен через небольшой воздушный зазор прямо над кромкой ферромагнитного зубчатого кольца (зубчатки), находящегося в магнитном поле постоянного магнита. Если прямо напротив датчика попадает зуб кольца, то он концентрирует магнитное поле и усиливает поток магнитной индукции в катушке, а если напротив датчика становится выемка зубчатки, то магнитный поток ослабевает. Такие два состояния датчика постоянно чередуются при вращении импульсной зубчатки вместе с валом, частота вращения которого, собственно говоря, и является измеряемой характеристикой. В катушке наводятся импульсы напряжения переменного тока, частота которых свидетельствует о частоте вращения вала.

48