книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

лись два резонатора (с частотой биений ~ 500 гц). С помощью этого датчика удалось зарегистрировать эрозию 0,02 ± 0,01 нм в сутки.

Изменение эффективного размера кварцевого	резонатора	лежит
в основе частотного датчика для измерения силы	[21. Этот	датчик

содержит кварцевый резонатор с размерами 0,278 X 12,7 X 12,7 мм,

в котором колеблющиеся частицы смещаются в плоскости больших граней, а направление распространения механических волн перпен­

дикулярно им. Поэтому начальная частота (6,3 Мгц) определяется наи­

меньшим размером резонатора. Измеряемая сила приложена в узло­

вой плоскости [124], параллельной большим граням, и незначительно ухудшает добротность резонатора. Так как деформация пропорцио­ нальна измеряемой силе, последняя вызывает пропорциональное изменение частоты резонатора.

4-6. Частотные датчики с резонаторами в виде тонких оболочек (датчики с вибрирующим цилиндром)

Из возможных конфигураций тонких оболочек в частотных дат­ чиках используется тонкостенный металлический цилиндр [НО, 111],

собственная частота которого зависит от механических напряжений,

вызываемых действием измеряе­

мой величины			(разности давле­
ний на внутреннюю и внешнюю									1
стенки).	Конструктивно					воз­
можны две схемы датчиков с ци­									2
линдрическими				резонаторами.
В конструкции,				приведенной на					3
рис. 4-11, а,		оба		конца резона­
тора 3 соединяются с корпусом									4
датчика	4,	а на рис. 4-11, б
с корпусом		соединяется				лишь
один конец		резонатора, другой
остается	свободным				и образует
консоль. Измеряемой величиной
является	разность двух					давле­
ний, поданных в камеры						1 и 2	Рис. 4-11. Конструктивные схемы датчи­
датчика.	Для		измерения			абсо­	ков с	цилиндрическими резонаторами:
лютного давления одна из камер							а—датчик с жестким закреплением обоих
герметизируется.				Толщина сте­			концов	резонатора;	б — датчик с кон­
							сольным креплением резонатора
нок цилиндрических					резонато­
ров выбирается равной примерно
50 мкм. При проектировании датчиков								с цилиндрическими резона­
торами для		получения минимальных погрешностей							при измерении

давления стремятся к тому, чтобы отношение nRIL = % было воз­

можно малым. Но уменьшение этого отношения (т. е. увеличение

относительной длины резонатора) ограничено технологическими труд­

ностями изготовления тонкостенных цилиндрических резонаторов

большой длины.

Возбуждение непрерывных колебаний цилиндрического резонатора на собственной частоте осуществляется с помощью двух взаимно перпендикулярных электромагнитных систем, расположенных вну­

три резонатора (рис. 4-12).								из­
Основные данные датчиков с цилиндрическими резонаторами,
готовляемых английской фирмой «Солартрон»,		приведены в работе
	[2].	Датчики			могут изме­
	рять		давления			в широком
	диапазоне,			имеют			началь­
	ную частоту 5—16 кгц, от­
	носительную				девиацию ча­
	стоты		при	полном			измене­
	нии давления 20%, погреш­
	ность линейности 2,5%, не-
	воспроизводимость характе­
	ристики ±			0,05%.
	Помимо			измерения				да­
	вления, датчики с цилинд­
	рическими				резонаторами
Рис. 4-12. Схема включения датчика в цепь	могут		быть		использованы
усилителя	для		измерения			плотности
	среды. При			вибрациях				ци­

линдра окружающая его среда тоже приводится в колебательное движение, причем чем больше плотность среды, тем большая масса приводится в движение и тем меньше частота колебаний цилиндра. Фирмой «Солартрон» разработан такой датчик для непрерывного из­

мерения плотности жидкости.

ГЛАВА ПЯТАЯ

СТРУННЫЕ ЧАСТОТНЫЕ ДАТЧИКИ

5-1. Принцип действия и разновидности струнных датчиков

Принцип действия струнных датчиков основан на зависимости собст­ венной частоты колебаний натянутой струны от ее длины /, массы т и силы натяжения F (или механического напряжения о или удлине­

ния Al):

/ = — \ f — =		i l У	— If	— ,	(5-1)
' 2 V	m l		P 2 V	р/з	' '

где р и Е — плотность и модуль упругости материала струны.

Естественной входной величиной струнного резонатора является натяжение F, которое создает возвращающие силы при отклонении струны от положения равновесия. Одновременно струна является

упругим элементарным преобразователем с жесткостью ES/1 и может воспринимать также малые перемещения А/, преобразуя их сперва

в силу, а затем в частоту. Однако струна как упругий элементарный

преобразователь имеет тот недостаток, что ее длина / велика по срав­

нению с деформацией А/, поэтому малые паразитные, например тем­

пературные, изменения длины оказываются одного порядка с изме­

ряемыми перемещениями. Стабильность же преобразования силы в ча­

стоту значительно выше, так как определяется стабильностью всей

длины /, а не деформации.

Предварительный преобразователь струнного датчика, восприни­ мающий измеряемую величину и; преобразующий ее в изменение па­

раметров струны, тоже обладает некоторой жесткостью, которая по

отношению к струне играет роль внутреннего сопротивления источ­

ника сигнала. Если жесткость предварительного преобразователя

и всей механической цепи, замкнутой на струну, велика по сравне­ нию с жесткостью струны, то осуществляется режим заданной длины

струны, в котором натяжение зависит от деформации, и струна осу­

ществляет два последовательных элементарных преобразования. На­ оборот, если основной составляющей жесткости механической цепи

датчика является жесткость струны, то осуществляется режим за­

данной силы в струне, при котором величина ее деформации является второстепенным фактором. Предварительный преобразователь при

этом работает в режиме заданного положения, так как перемещение

его подвижной части ограничивается струной, и все погрешности,

связанные с изменением его параметров при перемещении подвижной

части, исключаются. Поэтому работа струны в режиме заданной силы

оказывается вдвойне выгодной.

В дифференциальных струнных датчиках начальный режим может характеризоваться заданной длиной, а изменение под действием изме­ ряемой величины — заданной силой и наоборот.

На рис. 5-1 и 5-2 представлены схематические изображения раз­ нообразных типов струнных датчиков. Первые датчики, разработан­ ные H. Н. Давиденковым и его сотрудниками и впоследствии усовер­ шенствованные [129], выполнялись однострунными (рис. 5-1, а — д), работали по запросу, на свободных затухающих колебаниях или вы­ нужденных колебаниях с ручной настройкой на резонанс и предназна­

чались для редких периодических телеизмерений деформаций, дав­

лений и температуры в промышленном и гражданском строительстве. Эти приборы обладают погрешностью 1—3%, в лучших образцах — до нескольких десятых долей процента.

В современных конструкциях датчиков для цифровых измеритель­

ных систем широко используется дифференциальное включение двух струн (рис. 5-2) и работа в режиме заданной силы, а также автоколе­ бательное возбуждение струн с помощью усилителей, располагаемых внутри датчика. Характерно, что режим заданной силы (по началь­

ному натяжению) применяется даже в датчиках для измерения малых

перемещений (рис. 5-2, г). Погрешность датчиков этой группы состав­

ляет 0,1 — 0,5%.

Рис. 5-1. Схематические изображения однострунных датчиков: а — тен­ зометр; б — экстенсометр; б — датчик для измерения перемещений на большой базе; г — термометр; д — датчик для измерения давления грун­ та; е, ж — манометры; з — миллибарометр; и — торсиометр; к — грави­ метр; л — расходомер; м — теплострунный преобразователь для измере­ ния переменного тока высокой частоты и постоянного тока; н — струнно­ динамический преобразователь для измерения постоянного и переменного

повышенной частоты токов; о — болометр

Наиболее высокие требования по точности предъявляются к струн­ ным гравиметрам и акселерометрам. В первых благодаря почти пол­

ному отсутствию упругих элементов, влияющих на натяжение струны (кроме слабо натянутых растяжек, центрирующих груз), удается до-

Рис. 5-2. Схематические изображения двухструнных датчиков: а, б — акселерометры; я, г — датчики для измерения сил или перемещений; д — динамометр; е — магнитострунный преобразователь; ж — струнно­ динамический преобразователь для измерения мощности, энергии; з — пьезострунный преобразователь для измерения высокого напряжения

с большим входным сопротивлением (предполагаемая конструкция)

вести погрешность до 2- 1СГ6 — 10“ 8 [146] при условии исключения

температурной и барометрической погрешностей с помощью термоста-

тирования и откачки датчика. В струнных акселерометрах, по лите­ ратурным данным, можно довести погрешность нуля до 10“ 4 — 10~5

предела измерения, а погрешность чувствительности до 10“ 3 — 1CF4 (0,01%). Лучшие результаты относятся к приборам, в которых на­ чальное натяжение обеих струн поддерживается одинаковым и по­ стоянным во времени путем его регулировки по постоянству суммы частот струн.

Почти такую же точность, как у струнного акселерометра, можно получить и у струнного миллиамперметра постоянного тока (рис. 5-2,е). Благодаря работе измерительного механизма в режиме заданного положения в этом и других подобных приборах исключаются погреш­

ности от несовершенства упругих элементов, создающих противо­

действующий момент, неравномерности магнитного (или электромаг­ нитного) поля и т. д. и значительно уменьшается механическая инер­ ционность.

Однострунные датчики (см. рис. 5-1) либо имеют резко нелинейную

характеристику и требуют внешних линеаризаторов, либо рассчиты­

ваются на узкий диапазон изменения частоты. В некоторых случаях возможна коррекция нелинейности струны нелинейностью упругого

преобразователя, например мембраны (рис. 5-1, е) или механичес­ кой передачи (рис. 5-2, а, з), а при измерении больших перемеще­

ний— с помощью кулачков или лекал [141]. Особую группу состав­

ляют однострунные преобразователи с малым начальным натяжением

струны (о 100 н/мм2), используемые для извлечения корня из вы­ ходной величины квадратичного предварительного преобразователя

иполучения частоты, пропорциональной измеряемой величине —

расходу (рис. 5-1, л) или действующему значению тока (рис. 5*1, м, н).

Результирующая зависимость частоты от измеряемой величины ли­ нейна с погрешностью до 0,05 — 0,1% при изменении натяжения в 15

иболее раз, нестабильность составляет 0,2 — 0,5%. Особенность

датчиков с механическими передачами (рис. 5-1, м) состоит в том, что,

меняя соотношение плеч рычага, можно получить работу струны как в режиме заданной силы, так и в режиме заданной длины. Однако в обоих этих крайних случаях чувствительность датчика оказывается малой; для получения максимальной чувствительности выгоден сог­ ласованный режим, когда приведенная к струне жесткость предва­ рительного преобразователя (в данном случае нити нагревателя) равна жесткости струны. Нестабильность струны в этом режиме больше, чем

в режиме заданной силы, но меньше, чем в режиме заданной длины.

Несмотря на принципиальные достоинства струнных датчиков, по­ лучение в них высокой точности и надежности требует тщательного конструктивного и технологического исполнения. В качестве общих рекомендаций можно указать следующие:

1. По возможности следует использовать режим заданной силы

в струне. При этом механическая цепь датчика не должна иметь собст­

венных частот, равных или кратных частоте струны, во избежание срыва колебаний или неоднозначности характеристики.

2. Конструкция и материал вспомогательных упругих и конструк­ тивных элементов должны выбираться так же тщательно, как и для

самого струнного преобразователя.

3.После сборки струнного преобразователя необходимо термиче­ ское старение конструкции в целом.

4.При создании струнных дифференциальных преобразователей надо добиваться тщательной отработки и стабилизации технологии изготовления и сборки датчиков, так как взаимная коррекция погреш­ ностей возможна только при полной идентичности всех деталей обеих

половин датчика.

5-2. Основы конструирования струнных датчиков

Выбор материала струн. Основные требования к материалу струн:

высокая прочность при вибрационных нагрузках, определенное зна­

чение температурного коэффициента линейного расширения (либо

малое, либо равное температурному коэффициенту конструкционного материала датчика в зависимости от его устройства), стабильность

и температурная независимость упругих свойств, малость упругого

последействия и внутренних потерь колебательной энергии, а также возможность получения максимальной чувствительности преобразо­ вателя при малых погрешностях (см. § 5-5). Применяют как ферромаг­

нитные, так и неферромагнитные струны. Колебания первых возбуж­ даются, как правило, электромагнитным способом, вторых — магнито­ электрическим. Таким образом, выбор материала струны предопреде­

ляет и выбор системы возбуждения.

Для работы в режиме заданной длины обычно выбираются сталь­ ные струны. Это объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, в датчиках с такими струнами либо используется массивный упругий преобразователь, изготовляемый из стали, либо роль такого преобра­ зователя играет стальная деталь, в которой измеряются напряжения.

Поэтому и струна должна быть стальной, так как для коррекции темпе­

ратурной погрешности, возникающей в результате деформации меха­

нической цепи датчика, вся эта цепь изготовляется из одного материала.

Во-вторых, струна в режиме	заданной длины очень чувствительна
к нестабильности крепления;	при использовании же неферромагнит­

ных струн обычно требуется изоляция одного из концов струны, ухуд­ шающая механическую стабильность. В ранних разработках в каче­ стве струны использовалась круглая стальная (рояльная) проволока диаметром 0,1 — 0,3 мм и длиной 40—60 мм с частотой колебаний 700 — 2000 гц. В современных датчиках часто используются более

гибкие и поддающиеся более надежному креплению стальные ленты

толщиной 0,08 — 0,1 мм и шириной 1—2 мм, дающие частоту 3000 гц

и выше.

Струны, работающие в режиме заданной силы, чаще делаются из

специальных неферромагнитных сплавов с меньшими несовершенст­

вами упругости. Наиболее широко применяются бериллиевая бронза,

вольфрамовые сплавы, а также специальный железокобальтовый сплав

К40НХМВ. Бронза и сплав К40НХМВ используются в виде лент

(удобно брать стандартные растяжки для электроизмерительных при­ боров), струны из вольфрамовых сплавов бывают как круглыми, так

								Оки
	Параметр материала							О . (Я
								£ дс
							а а
							к«и
							ея9	Ü «
Временное сопротивление					при	растяже­		1050
нии ов, н/мм2							1000
Предел	текучести			при	растяжении		ат,	850
Н /М М 2							800
Предел	пропорциональности при растя­							—
жении 5Пц» HJMM2							—
Коэффициент запаса прочности для опре­
деления судоп в материале струны (с уче­
том	усталости		от	знакопеременных			на­
грузок)
Допустимое		напряжение			в	материале		475
струны одоп, н/ммг .							350
Модуль нормальной упругости Е> н/мм2 X								21
X Ю4							21
Плотность материала струны р, кг/мм3 х
Х 10 -6							7,8	7,8
	—fMalted						106	123
	1- —		10 •				1,65	1,93
	сек • лш2
°Д°П . JQ3							1,66	2,26
Е
Удельное электросопротивление руд,
ОМ• ЛЛ{							—	—
.м
Упругое последействие fJyn, % .							—	—
Температурный			коэффициент			линейного
расширения		а/,		1/град*10~6			11,8	11,5
Температурный коэффициент модуля							уп­
ругости а£ ,		\/град ЛОГ6					—	—
Температурный			коэффициент			упругого
последействия а3,				\/градЛОГ2			—	—

2

в

о

о.

S	•?		II
S*	яI
S	”		1 |
			>■&
Л ю
eaesiL,		S s	JJ «
gSu			4
cS O		S *	U
Uffitn
1220		1680	3000
1000		1400	_
—		_	1600
			2
	300	500	800
	21	22,3	20,0
8,0		7,8	7,8
	97	127	160
1,55		1,98	2,5
1,43		2,24	4,00
1,0		0,59	0,7

—.

12 12

__

— —

1

оловянноБронза - цинковаяБр ОЦ4-3	бериллиеБронза - БрБ2вая	нихромовыйСплав Н41ХТА	платиносере­Сплав ПлСр20бряный	вольфрамореСплав - ВРниевый-20	вольфрамо­Сплав 3-АВвый
					«2
					р

						?
						л
						Ч
						я
						O C Q
						§2
						с;о
						c v
1150	1600	1400	2000	4600	3600	3000
—	—	1250	—	4400	3600	—
800	1000	770	1600		—	2000
2	2	—	2	—	—	2
400	500	620	800	2200	1200	1000
11,5	13,5	18,0	17,5	33,0	33,0	21,0
8,8	8,2	7,9	19,7	19,3	19,7	8,8
106	123	138	100	168	123	168
1,9	2,0	2,2	4,0	6,5	4,8	3,0
3,48	3,70	3,45	4,55	6,70	3,65	4,75
0,09	0,07	0,9	0,3	0,24	0,07	1,00
0,1	0,2	—	0,05	—	—	0,02
15	15	8	14	4,5	4,5	15
—400	—310	—20	—250	—70	—70	-3 0 0
1,5	1,5	—	—1,0	—	—	-2,5

Кварцевые инти с напыленным металлом

600

600

600

4

150

0,07

2,1

133

5,6

2,15

—

—

0,5

130

—

иленточными. Бронзу преимущественно применяют при малых меха­

нических напряжениях (частота около 1000 гц), струну из вольфрама

исплава К40НХМВ натягивают почти до предела пропорционально­ сти, получая частоты 5—7 кгц и выше. Особым достоинством бронзы является малое электрическое удельное сопротивление, способ­

ствующее стабильности струнных генераторов (см. § 5-6). Привлека­ тельные особенности вольфрамовых сплавов — высокая прочность,

хорошие упругие свойства, малый коэффициент линейного расшире­

ния и большая плотность, способствующая высокой добротности струн.

Достоинства сплава К40НХМВ, разработанного специально для рас­

тяжек,— очень малое упругое последействие и высокая прочность,

по которой этот сплав уступает только вольфрамовым сплавам.

Известны также случаи применения в качестве струн кварцевых серебреных нитей, обеспечивающих высокую стабильность механи­ ческих свойств и очень малый температурный коэффициент линейного

расширения. Очень перспективны металлические монокристаллические

нити (усы), обладающие сверхвысокой прочностью и малыми несовер­ шенствами упругости.

Втабл. 5-1 приведены основные характеристики материалов струн,

атакже некоторые комбинированные параметры, представляющие

интерес для анализа чувствительности и погрешностей. Параметр

у сд°п в соответствии с формулой (5-1) определяет максимальное

2

значение частоты при заданной длине струны. От параметра 1/аДОП(о зависит чувствительность к силе при заданных геометрических раз­

мерах струны, как следует из выражения (5-2). Отношение оЛ0П/Е

есть допустимая относительная деформация, от которой зависит, с од­ ной стороны, предел измерения перемещений Д/, а с другой — ряд погрешностей датчика.

Выбор размеров струны производится исходя из противоречивых требований к чувствительности, линейности и стабильности струнного

преобразователя. Длину струны, как правило, стремятся уменьшить,

так как при этом уменьшаются габариты датчиков и пропорционально

повышаются все частоты, а следовательно, растет чувствительность

и улучшается виброустойчивость. Однако уменьшение длины увели­

чивает погрешности от несовершенства крепления и влияния собст­

венной жесткости струны (как балки на двух опорах). Поэтому не рекомендуется выбирать струны короче 15—20 мм. Сечение струны выбирается по требуемому пределу изменения натяжения и целесо­

образной величине напряжения в струне (см. ниже). Однако, выбрав

сечение из этих соображений, следует проверить, не слишком ли тол­

стой получилась струна при выбранной ее длине. Для обеспечения

малости погрешности от собственной жесткости следует придержи­ ваться условия lfà 300 -н 500, где d — диаметр круглой или тол­ щина ленточной струны. При равном сечении меньшую погрешность от собственной жесткости обеспечивают ленточные струны с малым

отношением толщины к ширине; в стандартных электроизмерительных