В. А. Никитин с. В. Бойко

Измерение перемещений

В современном промышленном производстве широко применяются измерения размеров, перемещений и деформаций. Для этой цели используются измерительные преобразователи перемещений, которые по диапазону входных величин делятся на преобразователи малых перемещений (до 2-3 мм для линейных и 2-3° для угловых перемещений) и преобразователи больших перемещений (до нескольких метров для линейных и 25-40 оборотов для уг- ловых перемещений). Роль преобразователей перемещений в промышленных измерениях велика также и потому, что при измерениях многих механических величин, таких как сила, давление, момент, сначала осуществляется их пре- образование в перемещение, а затем перемещения в электрическую величину.

Для измерений перемещений находят применение различные типы измерительных преобразователей: реостатные, тензочувствительные, индуктивные, емкостные и преобразователи излучений. Выбор типа преобразователя и конкретной его разновидности определяется рядом факторов: диапазоном измеряемых перемещений, необходимой точностью измерений, допустимой продолжительностью измерений, практической возможностью использования контактного датчика той или иной конструкции, требованиями к виброустойчивости, надежности и т. п.
Большинство применяемых на практике преобразователей и приборов для измерения перемещений относится к аналоговым. Однако имеются и цифровые преобразователи - кодирующие линейки и диски. Существуют и специализированные ИИС, в состав которых входят средства измерений перемещений.
Измерение деформаций. При измерениях деформаций в качестве первичных измерительных преобразователей чаще всего используются тензорезисторы. Проволочные, фольговые и пленочные тензорезисторы

применяются для измерений относительных деформаций
^_l < от 0,005 до 2 %.

Полупроводниковые тензорезисторы применяются для измерения деформаций

до 0,1 %. Для измерения больших деформаций ( ^_l
=5-10 %) применяются

свободные проволочные тензорезисторы, закрепленные по концам базы.
При измерении тензорезисторы обычно включаются в мостовую измерительную цепь. Напряжение питания моста ограничивается допустимой мощностью, рассеиваемой в тензорезисторе, и лежит в диапазоне 2-12 В. Небольшое рабочее относительное изменение сопротивления тензорезистора определяет и сравнительно небольшое напряжение на выходе моста. Так, выходной сигнал моста с проволочными тензорезисторами составляет не более

10-50 мВ при деформация
^_l = 1 %. Для повышения чувствительности мостовой

измерительной цепи иногда применяют импульсное питание. При сохранении той же мощности, рассеиваемой в тензорезисторе, напряжение питания, а

следовательно, и чувствительность моста могут быть увеличены в скважность импульсов).
раз (Q-

При измерениях деформаций с помощью тензорезисторов одной из наиболее существенных погрешностей является температурная, для уменьшения которой используют дифференциальное включение тензорезисторов. В этом случае применяют два тензорезистора, наклеиваемых таким образом, чтобы деформация объекта вызывала растяжение одного тензорезистора и сжатие другого.

Рисунок 16.19 - Структурная схема измерительного канала тензостанции Тензорезисторы включаются в два соседних плеча моста. Вследствие

того, что изменение температуры вызывает однонаправленные изменения сопротивлений тензорезисторов, температурную погрешность удается снизить примерно на порядок. Одновременно за счет дифференциальной схемы включения вдвое возрастает чувствительность. Наибольшее распространение получили приборы, в которых тензорезисторы включаются в неуравновешенный мост, питаемый переменным током. Ввиду малости относительных изменений сопротивлений проволочных тензорезисторов нелинейность функции преобразования неуравновешенного моста можно практически не учитывать. Для измерения деформаций широко применяются многоканальные приборы (тензостанции). Структурная схема одного канала тензостанции приведена на рисунке 16.19. Тензорезисторы R₁ и R₂ включены в мостовую измерительную цепь М, питаемую переменным напряжением от генератора Г. Выходной сигнал моста усиливается усилителем У, а затем демодулируется с помощью синхронного детектора Д и фильтра нижних частот Ф. Сигнал с выхода фильтра поступает на указатель Ук. Вследствие того, что мостовая измерительная цепь питается переменным током, необходимо учитывать наличие относительно больших паразитных емкостей. Так, если тензорезисторы наклеиваются на металлическую деталь, то емкость между проводящими элементами тензорезистора и деталью может составлять 10-100 пФ. В связи с этим в мосте предусмотрены элементы предварительного уравновешивания его не только по активной, но и по реактивной составляющей. Использование частотно-избирательного усилителя и синхронного детектора позволяет повысить помехоустойчивость измерительного устройства. В настоящее время в связи с развитием микроэлектроники все более перспективным становится применение мостовых
цепей с питанием их постоянным током. В качестве источника питания в этих схемах используются стабилизаторы напряжения или тока, а выходное напряжение моста усиливается с помощью усилителя с высоким входным сопротивлением. Получают распространение также измерительные цепи, в которых выходной ток тензомоста уравновешивается током дополнительного источника (квазиуравновешенные мосты). Индуктивные датчики находят широкое применение в промышленности для измерений перемещений в диапазоне от десятых долей микрометра до единиц дециметров, а также для измерений других физических величин, преобразуемых в перемещение. Это объясняется существенными достоинствами индуктивных датчиков, такими как простота конструкции, надежность, высокая чувствительность, значительная мощность сигнала на выходе, защищенность от воздействий внешних электрических и магнитных полей. Разнообразие требований и условий эксплуатации датчиков перемещений определяет и множество конкретных конструкций датчиков с изменяющейся индуктивностью или взаимной индуктивностью обмоток. При этом особенно часто используются датчики дифференциального типа. Наиболее распространенной измерительной цепью при использовании дифференциальных индуктивных преобразователей является мостовая цепь, в которой два соседних плеча Z₁ и Z₂ образованы обмотками датчика (рисунок 16.20), а два других - элементами с сопротивлениями Z₃ и Z₄. На рисунке 16.20 изображен дифференциальный индуктивный датчик с подвижным сердечником. При нейтральном положении сердечника (индуктивности обеих обмоток датчика равны) мост находится в состоянии равновесия, т.е. U_вых=0. При перемещении сердечника индуктивности обмоток датчика изменяются противоположным образом, что вызывает изменение выходного напряжения. В зависимости от направления движения сердечника от нейтрального положения на 180° меняется фаза выходного переменного напряжения. Если на выходе необходимо получить постоянное напряжение, то сигнал с выхода моста подают на амплитудный детектор. При использовании синхронного, (фазочувствительного) детектора выходное постоянное напряжение меняет знак при переходе подвижного сердечника через нейтральное положение. Вследствие развития микроэлектроники все более перспективным становится преобразование выходного параметра индуктивного датчика в частотно-временные параметры сигналов: частоту, период, длительность импульсов, скважность.
При использовании частотной гармонической модуляции обмотка ин- дуктивного датчика включается в частотно-задающую цепь автогенератора. Недостатком таких схем является нелинейная зависимость частоты генерации от индуктивности обмотки датчика. От этого недостатка свободны схемы, в которых осуществляется импульсная модуляция.
х

исунок 16.20 - Схема включения дифференциального индуктивного датчика

В качестве примера на рисунке 16.21а приведена упрощенная схема преобразователя индуктивности датчика в период повторения импульсов, реализующая метод развертывающего преобразования. Работа схемы иллюстрируется с помощью временных диаграмм (рисунок 16.21б).

Операционный усилитель А с большим коэффициентом усиления выполняет функции схемы сравнения и находится в состоянии насыщения. Значение напряжения на его выходе u_вых (t) по модулю равно значению напряжения насыщения Е и может изменять знак в зависимости от соотношения напряжений на входах усилителя. Напряжение u₂ (t) на неинвертирующем входе усилителя снимается с делителя, выполненного на резисторах R₂, R₃, а его значение равно u₂=kE, где k=R₃/(R₂+R₃). Напряжение u₁(t) на инвертирующем входе усилителя является выходным напряжением пассивной интегрирующей цепочки, образованной катушкой индуктивности L и резистором R₁. Напряжение u₁(t) изменяется по экспоненте с постоянной времени L/R₁, стремясь к значению напряжения насыщения Е. В момент времени Т/2, когда u₁ (Т/2)=u₂, схема сравнения переходит в противоположное состояние, т. е. напряжение u_вых меняет знак. Далее процесс циклически повторяется. Выходное напряжение представляет собой периодическую последовательность двухполярных прямоугольных импульсов (типа «меандр»), период повторения которых можно записать в виде равенства (16.21)

Т = 2 (L/R₁) ln [(1+k) / (l-k)], (16.21)