Устройство струнных датчиков

Для обеспечения требуемой точности, чувствительности и надежности струнных датчиков необходимо выбрать соответствующий материал струны. Этот выбор определяется как условиями применения датчика, так и способом возбуждения колебаний струны. К материалу струны предъявляются следующие требования: высокая прочность при вибрационных нагрузках, определенное значение температурного коэффициента линейного расширения (либо малое, либо равное этому же коэффициенту конструкционного материала датчика), независимость упругих свойств от времени и температуры.

Возможно применение как ферромагнитных, так и неферромагнитных материалов струны. При использовании ферромагнитной струны применяются электромагнитные возбудители колебаний. Под действием тока, протекающего по обмотке неподвижного электромагнита, к струне прикладывается сила притяжения, выводящая ее из состояния покоя. При использовании неферромагнитной струны применяются магнитоэлектрические возбудители колебаний. При пропускании через струну тока она испытывает силу притяжения (или отталкивания) к полюсам постоянного магнита.

Наибольшее распространение в струнных датчиках с электромагнитным возбуждением получили стальные струны из круглой рояльной проволоки диаметром 0,1—0,3 мм. При длине в 40—60 мм в таких струнах возбуждаются колебания с частотой 700—2000 Гц. В последнее время используются более гибкие и поддающиеся более надежному креплению стальные ленты толщиной 0,08—0,1 мм и шириной 1—2 мм. Частота колебаний стальной ленты достигает 3 кГц и выше. Стальные струны и ленты работают в режиме заданной длины. В этом режиме струна крепится к относительно более массивному упругому первичному преобразователю, изготовленному также из стали. Одинаковый температурный коэффициент линейного расширения материала струны и материала конструкции датчика позволяет уменьшить температурную погрешность.

В режиме заданной длины струна очень чувствительна к нестабильности крепления, а при использовании неферромагнитных струн обычно требуется изолировать хотя бы один из концов струны, что ухудшает механическую стабильность крепления. Поэтому неферромагнитные струны обычно используют в режиме заданной силы. В качестве материала применяют бериллиевую бронзу, вольфрамовые сплавы, а также специальный железокобальтовый сплав. Струны из вольфрамовых сплавов бывают как круглыми, так и лен-iочными. Другие материалы обычно используют в виде лент.

При выборе размеров струны исходят из следующих противоречивых требований. При малой длине уменьшаются габариты датчиков, повышаются чувствительность и виброустойчивость. Однако при этом увеличивается погрешность из-за несовершенства крепления и влияния собственной жесткости струны. Для обеспечения малой погрешности от собственной жесткости следует стремиться к выполнению условия , где l — длина струны, d — диаметр круглой или толщина ленточной струны. Обычно не рекомендуется выбирать длину струны l менее 20 мм. Сечение струны выбирается по требуемому пределу изменения натяжения и целесообразному механическому напряжению в струне. Например, для бронзы рекомендуется выбирать напряжение не более 0,5 % от модуля упругости.

Конструкция и материал крепления струны играют первостепенную роль для обеспечения стабильности струнного датчика. При малых механических напряжениях (до 200 Н/мм²) более хорошие результаты дают способы крепления, показанные на рис. 2. Крепление с помощью винта (рис. 2, а) приводит к значительному смятию струны и ухудшению стабильности. Более хорошие результаты дает крепление в щели (рис. 2, б). Ленточные струны закрепляют между двумя хорошо обработанными и подогнанными параллельными плоскостями (рис. 2, в). Таким же способом можно крепить и круглые струны. Для высокоточных датчиков применяют более сложные конструкции крепления струны. Для снятия механических напряжений при установке крепления используют температурное старение в виде нескольких циклов нагрева до 80—100 °С (по 4—8 ч каждый).

С помощью струнных датчиков возможно автоматическое измерение силы, давления, перемещения, ускорения, температуры и других неэлектрических величин. На базе струнных датчиков созданы также цифровые электроизмерительные приборы постоянного и переменного тока. Диапазон изменения выходного сигнала — частоты— составляет 300—500 Гц. Для исключения помех промышленной частоты стремятся увеличить минимальное значение частоты. Высокая частота облегчает и преобразование ее в цифровой код. Например, для получения погрешности дискретности счета, не превышающей 0,1 %, при частоте в 1000 Гц достаточно производить счет импульсов выходного сигнала датчика в течение 1 с. Наибольшее распространение получили струнные тензометры. Рассмотрим схему измерения с помощью струнного тензометра (рис. 3, а). В корпусе 1 закреплена струна 2, начальное натяжение которой может устанавливаться с помощью регулировочного винта 3. Колебания струны возбуждаются с помощью электромагнита 4. Выходной сигнал приемника 5, в качестве которого используется, например, электромагнитный трансформаторный датчик, измеряется частотомером. В струнных тензометрах применяются струны длиной 20—200 мм с начальным механическим напряжением 300—400 Н/мм² и максимальным до 800 Н/мм². С их помощью может быть обеспечена чувствительность измерения относительной деформации в 1 10^-6.

Рис. 2. Способы крепления струны

Рис. 3. Струнный тензометр

На рис. 3, б показаны диаграммы напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита 4, и напряжения, снимаемого с приемника 5 в режиме работы по запросу. Периодически посылаются сигналы запроса в виде одиночного импульса, а сигнал ответа имеет вид затухающих колебаний с частотой f, определяемой силой, приложенной к струне. Как следует из уравнения (1), эта зависимость имеет нелинейный характер. С помощью некоторых конструктивных мер можно уменьшить эту нелинейность. Но в датчиках с одной струной довольно трудно обеспечить нелинейность меньше чем 2—3 % от диапазона изменения частоты.

 Рис. 4. Дифференциальный струнный датчик

Для увеличения точности преобразования и повышения линейности используют двухструнные дифференциальные датчики. Преобразователь силы в частоту (рис. 4) состоит из двух струн 1 и 2, размещенных под малым углом друг к другу и натянутых с силой 2 F ₀, создаваемой пружиной 3.

Пружина 4 уравновешивает начальное натяжение F ₀ в струне 2. Измеряемая сила F, приложенная к рычагу 5, перераспределяет суммарную силу натяжения 2 F ₀, увеличивая натяжение F ₂ струны 2 и уменьшая натяжение F ₁ струны 1. Под струнами 1 и 2 расположены возбудители колебаний 6 и 7 и приемники колебаний 8 и 9. Приемники подключены на вход усилителей 10 и 11, авозбудители — на выход этих усилителей. Напряжения с усилителей 10 и 11 с частотами соответственно f ₁ и f ₁ поступают на смеситель 12 и фильтр 13, на выходе которого получается сигнал разностной частоты . Для уменьшения нелинейности струна, работающая на укорочение, выбирается несколько большей длины.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ