И змерительные цепи емкости конденсатора с резонансными контурами

Рис. 3.37. Резонансная измерительная цепь (а) и резонансная кривая (б)

Неизвестная емкость конденсатора C_x включается в цепь LC_xR (рис. 3.37а). Контур питается от генератора стабильной частоты ω₀. При изменении емкости C_x сопротивление контура меняется по резонансной кривой (рис. 3.37б) и при частоте напряжение контура U_К достигает максимума. На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному. Его можно использовать для измерения емкости в диапазоне C₁...C₂.

Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электролизующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Пьезоэффект обладает знакочувствительностью. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие природные вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле пьезокерамики: титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др. Преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения. Преобразователи, где используется обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний в расходомерах, ультразвуковых датчиках уровня, в методах неразрушающего контроля качества изделия и др. Преобразователи, в которых используется одновременно прямой и обратный пьезоэффекты – пьезорезонаторы. Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных преимущественно неэлектрических (температура, давление, ускорение и т.п.) величин в частоту. В пьезоэлектрических преобразователях используется кварц и различные типы керамик. Пьезокерамики имеют значительно более высокие по значениям, чем кварц, пьезомодули, но худшие упругие свойства. Все пьезоматериалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в определенном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой Кюри. Для кварца точке Кюри соответствует температура θk=530°C, для пьезокерамик эта температура значительно ниже (105 ÷ 330°C).

Измерение линейных и угловых скоростей, ускорений и параметров вибрации Измерение линейных скоростей

Линейную скорость перемещений приходится измерять на автомобильном, железнодорожном, водном транспорте, при производстве ленточных материалов: бумаги, картона, стекла; в авиации, космонавтике, военном деле и т.д. Диапазон измеряемых скоростей перемещения достаточно широк – от нуля до десятков километров в секунду. Определение скорости поступательного движения производится как дифференцированием пути во времени, так и интегрированием ускорения этого движения. Если известно уравнение линейного перемещения точки или тела L = f(t), то линейная скорость v = . Если известно ускорение a(t), то скорость линейного перемещения . Наиболее просто дифференцировать сигнал пропорциональный перемещению позволяют индукционные преобразователи. Широко применяются для измерения линейной скорости различного вида тахометры: тахогенераторы постоянного и переменного тока, частотные, стробоскопические тахометр. При движении объекта по водной поверхности применяют различного вида вертушки (лаги). В корпусе такого датчика крепятся неподвижно катушки с постоянными магнитами (индукционные датчики). При вращении вертушки (индуктора) изменяется магнитное сопротивление, при этом в катушках индуцируется переменная ЭДС. Частота этой ЭДС зависит от скорости вращения вертушки и, следовательно, от линейной скорости перемещения объекта относительно водной поверхности. Перспективными следует считать способы измерения линейной скорости на воде и в воздухе, основанные на корреляционном методе, т. е. на использовании естественных меток.

Сущность корреляционного метода заключается в следующем.

На объекте, движущемся со скоростью v, размещены излучатели, разнесенные на расстояние L, и приемники отраженного сигнала. Так как второй приемник смещен относительно первого, то сигнал f₁(t) повторяется во втором приемнике сигналом f₂(t) с запаздыванием τ, пропорциональным расстоянию L между приемниками и обратно пропорциональным скорости объекта v, т. е.

При измерении скорости движения объектов в воздухе широкое применение находят трубки скоростного напора, подключаемые к дифференциальным датчикам давления. Зависимость динамического давления P_д от скорости можно выразить уравнением

P_д =

где ρ – плотность воздуха; ε – поправочный коэффициент, зависящий от

М =

где a – скорость звука.

Скорость может быть выделена как

При проектировании, например, измерителя скорости летательного аппарата задают диапазон линейных скоростей, высоту полета (от нее зависит плотность воздуха ρ). Далее определяют поправочный коэффициент ε, диапазон измерения P_д и по P_{д max}, выбирают дифференциальный датчик давления с нормированным выходным сигналом. В авиации используется и термодинамический метод определения линейной скорости, основанный на измерении температуры торможения встречного потока. В воздушном потоке размещают две одинаковые термопары с различными коэффициентами торможения r₁ и r₂. Измеряя значение ЭДС термопар, определяют линейную скорость объекта:

где S – чувствительность термопар; k – коэффициент, зависящий от скорости звука и температуры на высоте полета самолета.

При определении путевой скорости самолета и его расчетного местоположения необходимо измерять скорость самолета относительно воздуха, скорость ветра и его направление. Наибольшие погрешности получаются при определении параметров ветра, так как их трудно измерить при полете самолета. Метод, основанный на эффекте Доплера, позволяет измерять путевую скорость самолета относительно земли. В приборе, построенном по этому методу, частота f₀ радиоволн, излучаемых установленным на самолете передатчиком, сравнивается с частотой f', принятых самолетным радиоприемником сигналов, отраженных от земной поверхности. Разность f₀ и f' называется доплеровской частотой f_Д, эта частота связана со скоростью v' сближения источника излучения с точкой земной поверхности, от которой отражаются радиоволны:

где C – скорость света, равная 3·10⁸ м/с.

При этом величина v' равна величине проекции вектора путевой скорости на направление радиолуча. Для повышения точности определения путевой скорости используются двух-, трех- и четырех-лучевые системы измерения. При этом компенсируются ошибки, вызванные вертикальной скоростью самолета, и ошибки, вызванные креном самолета.

Для измерения переменной линейной скорости объекта (наличие положительного или отрицательного ускорения) широко применяются датчики с подвижной инерционной массой. Под действием ускорения инерционная масса развивает силу F = ma, которая при некотором смещении ΔХ компенсируется силой механической или «электромагнитной» пружины. Смещение ΔХ преобразуется датчиком перемещений в электрический сигнал, который усиливается и подается на интегрирующее устройство (двигатель). Амплитуда выхода интегрирующего устройства будет пропорциональна переменной линейной скорости. Инерциальные приборы для измерения переменных линейных скоростей имеют приведенную погрешность 0,01%, а порог чувствительности – 3·10^-5 м/с.