Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений - файл n1.doc

приобрести
Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений
скачать (328.3 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3997kb.13.12.2001 21:29скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8

К погрешностям магнитоупругих ИП относятся:

1. Погрешность, обусловленная магнитоупругим гистерезисом, т. е. несовпадением функций преобразования при увеличении и уменьшении нагрузки ИП. При статических нагрузках гистерезис больше, чем при динамических. Эта погрешность обычно превышает остальные составляющие погрешности и может составлять единицы процентов. Уменьшение погрешности достигается путем тренировки преобразователя. Эта погрешность также уменьшается при выполнении чувствительного элемента монолитным из материала с высоким пределом упругости. Магнитоупругий гистерезис уменьшается с течением времени и увеличении напряженности магнитного поля. Погрешность из-за гистерезиса может быть уменьшена до десятых долей процента (до 0,3 %).

2. Погрешность линейности. Для уменьшения этой погрешности приложением дополнительной силы в материале создается предварительное напряженное состояние. Нелинейность характеристики преобразование уменьшается при соответствующем выборе материала чувствительного элемента преобразователя и взаимной коррекцией нелинейностей цепочки преобразования. Погрешность линейности может быть уменьшена до 1–2 % [10].

3. Погрешность, обусловленная колебаниями напряжения питания. При изменении напряжения питания изменяется начальное значение магнитной проницаемости  и магнитоупругая чувствительность. Для уменьшения этой погрешности необходимо работать в полях, соответствующих максимальной магнитной проницаемости. Погрешность может быть уменьшена до 0,3–0,4 % на 1 % изменения напряжения питания.

4. Температурная погрешность. При изменении температуры изменяется сопротивление обмоток и магнитная проницаемость. Температурная погрешность составляет 0,5–1%. Для уменьшения погрешности используются дифференциальные и магнитоанизотропные ИП.

5. Погрешность, обусловленная старением материала магнитоупругого ИП. Старение приводит к изменению магнитной проницаемости и магнитоупругой чувствительности. Для уменьшения данной погрешности используют естественное или искусственное старение, а также примененяют дифференциальные ИП. Погрешность старения можно уменьшить до 0,5 %.

8.3.4. Измерительные цепи

В качестве измерительных цепей используются мостовые цепи. Для компенсации погрешностей в плечо моста, смежное с рабочим преобразователем, включается такой же преобразователь. Магнитоупругие ИП могут также включаться в цепь автоматического потенциометра переменного тока.

9. Пьезоэлектрические ИП

9.1. Принцип действия и материалы пьезоэлектрических ИП

Принцип действия данных преобразователей основан на пьезоэлектрическом эффекте, т. е. на возникновении электрических зарядов на поверхности кристаллических диэлектриков, подверженных механическим деформациям (прямой пьезоэффект).

Кроме прямого пьезоэффекта существует и обратный, который проявляется в изменении размеров диэлектрика при приложении к нему электрического поля. Вещества ( нецентросимметричные ионные кристаллы, поликристаллы), у которых наблюдаются такие свойства, называются пьезоэлектриками (кварц, титанат бария и др.).

В качестве материалов пьезоэлектрических преобразователей используются различные типы пьезоэлектрической керамики, например: титанат бария ВаТiО3, ЦТС керамика (керамика на основе смесей цирканато-титанатов свинца), НБС керамика (керамика на основе ниобата свинца) и кварц. Пьезоэлектрические керамические материалы имеют большие значения пьезомодуля, например, керамика ВаТiО3 имеет значение пьезомодуля d11 = 107.10-12 Кл/Н. Большинство пьезокерамик обладает достаточной температурной стабильностью. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри. Для титаната бария температура Кюри равна 115 0С. В результате старения свойства пьезокерамики изменяются. Изготовление преобразователей из пьезокерамики проще, чем из моно-кристаллических материалов. Кварц имеет пьезоэлектрический модуль d11 = 2,1. 10-12 Кл/Н, величина которого не зависит от температуры до 200 0С. Предельная рабочая температура составляет 500 0С. При температуре 573 0С кварц теряет пьезоэлектрический эффект в результате необратимых изменений кристаллической решетки (переход в аморфное состояние). Он имеет высокую стабильность электрических и механических свойств. За 10 лет изменение характеристик не превышает 0,05 % [9].

В кристаллах кварца (рис. 9.1 а) различают три главных кристаллографических оси: продольную (оптическую ось Z); электрические оси Х (три оси, сдвинутых на 120О), проходящие через ребра шестигранной призмы; механические оси Y (три оси, сдвинутых на 120О), нормальные по отношению к граням кристалла.

,
Z-оптическая

ось

y









x
lY FX


Х – электричес-

кая ось.



l


Y-механи-ческая ось перпен-но граням

lX
FY

а) б)

Рис. 9.1

Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед так, чтобы его грани были перпендикулярны осям X-Y (рис. 9.1 б), то под действием силы FX в направлении оси X на гранях параллельных оси Y появится заряд (продольный пьезоэффект)

q = d11 FХ, (9.1)

где d11пьезоэлектрическая постоянная (пьезомодуль).

Если измеряемая сила направлена вдоль механической оси Y, то заряд все равно индуцируется на гранях параллельных Y, но его значение уже будет зависеть от соотношений геометрических размеров кристалла (поперечный пьезоэффект) q = - (lY/ lX)d11 FY, где lX и lY – размеры кристалла по осям X и Y.

Знаки поляризации при продольном и поперечном пьезоэффекте – противоположны. С изменением направления силы изменяется знак заряда. При действии силы вдоль оптической оси Z пьезоэффект не возникает.


9.2. Характеристики и применение пьезоэлектрических ИП



В общем случае пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластинку из пьезоэлектрического материала, на противоположных гранях которой имеются два электрода. На рис. 9.2 а схематично показано устройство преобразователя давления и его электрическая эквивалентная схема (рис. 9.2 б) [14 ].

а) б)

Рис. 9.2

Преобразователь состоит из двух пьезоэлектрических пластин 1, соединенных параллельно. Заряд q, возникающий на гранях пластин 1, пропорционален приложенной силе F. Сигнал с пластин снимается при помощи электродов 2, выполненных из фольги. Пластины помещаются в корпус 3. На эквивалентной схеме СО - это электрическая емкость преобразователя (емкость между гранями пьезоэлектрика), RО – сопротивление преобразователя (сопротивление утечки).

Выходной величиной преобразователя является напряжение. Функция преобразования преобразователя (рис. 9.2 а) имеет вид

UВЫХ = dF/C = dF/(QO) = dP/(2O ), (9.2)

где d - пьезомодуль;  - расстояние межу электродами; Q - площадь электродов;  - относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика; Р - давление.

При измерении статических величин (сил, давлений и т. п.) на выходе пьезоэлектрического ИП появляется постоянное напряжение, которое из-за утечки заряда через конечное объемное сопротивление и по поверхности ИП быстро падает. Заряд, возникающий на гранях преобразователя, будет сохраняться только в том случае, если нет токов утечки. При действии переменной величины заряд постоянно восполняется. Поэтому пьезоэлектрические ИП применяются для измерения динамических величин.

Так как пьезоэлектрический преобразователь характеризуется большим

внутренним сопротивлением и малой выходной мощностью, поэтому на выход преобразователя необходимо включать усилитель с возможно большим коэффициентом усиления. Учитывая, что пьезоэлектрические преобразователи обычно включаются в измерительную цепь с помощью кабеля, эквивалентная схема преобразователя может быть представлена в ,виде, показанном на рис. 9.3 а.

На рисунке СК и RК – емкость и сопротивление утечки кабеля; СВХ и RВХ – входная емкость и входное сопротивление измерительной цепи.

Упрощенная эквивалентная схема показана на рис 9.3 б, где CЭ – эквивалентная емкость CЭ = CО + CК + CВХ; RЭ – эквивалентное сопротивление RЭ = RО RК RВХ /(RО RК + RО RВХ + RК RВХ).



а) б)

Рис. 9.3

При воздействии на преобразователь синусоидальной силы fX мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, находится как

i = iC + iR = dq/dt = d (dFX/dt), (9.3)
а уравнение преобразования пьезоэлектрического ИП имеет вид

d (dFX/dt) = UВЫХ /RЭ + CЭ (dUВЫХ/dt). (9.4)

Выразив формулу 9.4 в операторной форме, получим

UВЫХ(1 + RЭCЭ Р ) = d.RЭ Р.fX. (9.5)

Откуда выражение для операторной чувствительности будет иметь вид

UВЫХ/FX = d RЭ Р/(1 + RЭ CЭ Р) = (d/CЭ ).Р/(1 + Р), (9.6)

где  = RЭ CЭ – постоянная времени цепи.

При синусоидальной силе FX = FM sin t из (9.5) получим выражение для комплексной чувствительности

S(j) = d [jRЭ/(1 + jRЭ CЭ)]. (9.7)

Из 9.7 находим амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики преобразователя, включенного в измерительную цепь

S(j) = d  /[CЭ (1 + )2];  = /2 + arc tg(RЭ CЭ). (9.8)

Из формулы 9.8 видно, что чувстительность преобразователя не будет зависеть от частоты при ()2  1. При  = 0 чувствительность преобразователя равна нулю, то есть невозможно применение пьезоэлектрических ИП для измерения статических усилий.

При  >>1 максимальное выходное напряжение зависит от емкости CЭ: UВЫХ.М = d.FМ/CЭ. Поэтому если в характеристике ИП указывается его чувствительность по напряжению, то обязательно должна быть указана и емкость для этой чувствительности [10]. Иногда указывается чувствительность по заряду Sq = q/F и собственная емкость ИП С0 или напряжение холостого хода Uxx = d11 F/ C0, а также собственная емкость ИП. Зная суммарную емкость С, можно рассчитать UВЫХ.

Для расширения частотного диапазона в сторону низких частот, при сохранении чувствительности преобразователя неизменной, следует увеличить  = RЭCЭ. Увеличение  можно достичь включением параллельного дополнительного конденсатора, но это приводит к уменьшению чувствительности. Увеличение сопротивления RЭ приводит к расширению частотного диапазона без уменьшения чувствительности. Увеличение RЭ достигается улучшения качества изоляции и повышением входного сопротивления RВХ измерительной цепи. Верхняя граница частотного диапазона определяется, в основном, механическими параметрами: частотой собственных колебаний, зависящей от массы и жесткости, степени успокоения. Таким образом, полная частотная характеристика преобразователя определяется как электрическими, так и механическими параметрами. Верхняя частота рабочего диапазона пьезоэлектрических преобразователей достигает десятков килогерц.

Из выражений (9.7) и (9.8) видно, что сигнал с выхода пьезо-электрического преобразователя ослабляется из-за емкости кабеля и входного устройства (усилителя). Нижняя граничная частота fСР по уровню – 3 дБ равна fСР = 1(2RЭCЭ). Ниже этой частоты коэффициент передачи уменьшается в 2 раза (на 6 дБ) при понижении частоты на октаву. Для получения малого значения fСР и высокой чувствительности входной импеданс измерительной цепи должен быть очень большим. При использовании специальных измерительных усилителей (электромехани-ческих усилителей) можно получить входное сопротивление порядка 1014 Ом и входную емкость около 1 пФ [14].

Чувствительность пьезоэлектрического ИП может быть также увеличена за счет выполнения чувствительного элемента из нескольких параллельно соединенных пластин.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения сил до 105 Н, давлений до 100 Н/мм2, ускорений до 2 104g в частотном диапазоне от единиц герц до 100 кГц.

9.3. Погрешности пьезоэлектрических ИП

Основными составляющими погрешности являются: 1) погрешность, обусловленная нестабильностью параметров измерительной цепи, в частности емкости СВХ; 2) температурная погрешность, обусловленная изменением чувствительности за счет температурного изменения пьезомодуля d, емкости СЭ и размеров пьезоэлемента; 3) погрешность, вызванная чувствительностью к силам, действующим перпендикулярно измерительной оси преобразователя; 4) частотная погрешность; 5) погрешность, обусловленная неправильной установкой пластин; 6) погрешность градуировки; 7) погрешность, обусловленная гистерезисом и нелинейностью характеристики пьзоэлектрического материала.

Кроме этого, при работе необходимо учитывать так называемый кабельный эффект. При вибрации кабель наводит на вход усилителя ЭДС, возникающую в результате трения изоляции при тряске об экран. Для уменьшения этой погрешности применяются специальные антивибрационные кабели.

9.4. Измерительные цепи пьезоэлектрических ИП

Как отмечалось ранее, выходное сопротивление пьезоэлектрического ИП большое, а мощность выходного сигнала мала. Поэтому в качестве измерительных цепей в основном используются различные усилители, отличающиеся высоким входным сопротивлением. На рис 9.4. приведены некоторые из таких схем.

Схемы с усилителем напряжения представлены на рис 9.4 а, б. Схема (рис. 9.4 а) обеспечивает постоянство нагрузки на пьезопреобразователь и усиливает напряжение на его обкладках. АЧХ равномерна в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц [15]. Недостатком схем с усилителями напряжения является зависимость выходного напряжения и чувствительности от емкости кабеля. Для уменьшения погрешности, вызванной изменением чувствительности, параллельно входу усилителя включается дополнительная стабильная емкость С1 (на рис. 9.4 не показана). В этом случае погрешность чувствительности

S = (С0 + СK) (С0 + СK + С1).

П

остоянная времени для измерительных цепей с усилителями напряжения обычно не превышает одной секунды   1 с.



а) б)

в) г)

Рис. 9.4

Более высокое значение постоянной времени позволяют получить преобразователи заряда в напряжение (усилители заряда). Пример подобной схемы приведен на рис. 9.4 в. Преимуществом данной схемы является возможность существенного расширения АЧХ в область инфранизких частот.

Постоянная времени может достигать нескольких часов [15], что позволяет осуществлять "статическую" градуировку пьезодатчиков. Кроме того, в этой схеме влияние емкости линии СЛ, соединяющей пьезодатчик с усилителем, оказывается незначительным.

Для согласования большого выходного сопротивления пьезопреобразователя с малым входным сопротивлением последующих электронных цепей может использоваться измерительная цепь, приведенная на рис. 9.4 г.

Достоинствами пьезоэлектрических ИП являются: малые габариты, простота конструкции, высокая надежность, возможность измерять бысропеременные процессы, высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд. Например, для ИП из кварца погрешность преобразования составляет 10-4 – 10-6.

К недостаткам следует отнести: невозможность измерять статические величины, наличие нелинейности и гистерезиса, трудность градуировки, сложность экранировки и защиты от помех и наводок, необходимость в качественных усилителях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Электрические измерения неэлектрических величин /А.М. Туричин, П.В. Новицкий, Е.С. Левшина и др. - Л.: Энергия, 1975. - 576 с.

2. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 448 с.

3. Алейников А. Ф., Гридчин В.А., Цапенко М.П. Датчики (перспективные направления развития). - Новосибирск.: НГТУ, 2001. - 173 с.

4. Спектор С.А. Измерения физических величин. Методы измерений: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 320 с.

5. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники: Учеб. пособие для вузов. - Киев.: Вища школа, 1983.- 455 с.

6. Аналоговые электроизмерительные приборы: Учеб. пособие для вузов / Е.Г. Бишард, Е.А. Киселева, Г.П. Лебедев и др., 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1991 - 415 с.

7. Фефелов Н.П. Введение в измерительную технику: Учеб. пособие для студентов вузов. - Томск.: Томский университет, 1976. - 204 с.

8. Электрические измерения: Учебник для вузов/ Под ред. А.В. Фремке. - Л.: Энергия, 1973. - 424 с.

9. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов / Н. Н. Евтихиев, А. Я. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

10. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: Измерительные преобразователи: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

11. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы: Учеб. пособие для вузов. - Киев.: Вища шк., 1986. - 504 с.

12. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

13. Ложников В.Я. Резистивные, емкостные измерительные преобразователи: Учеб. пособие.- Новосибирск: НИСИ, 1977. - 80 с.

14. Клаасен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. - М.: Постмаркет, 2000. - 352 с.

15. Кликушин Ю.Н., Кривой Г.С., Чередов А.И. Расчет измерительных цепей на операционных усилителях: Учеб. пособие. - Омск: ОмПИ, 1981.

16. Кончаловский В.Ю. Электрические измерительные преобразователи: Учеб. пособие. - Л.: Энергия, 1967.

17. Ольшевская О.К. Измерительные преобразователи: Учеб. пособие. - Томск, 1973. - 117 с.

18. Харт Х. Введение в измерительную технику.- М.: Мир, 1999.- 388 с.

19. Чередов А.И. Измерительные преобразователи параметров емкост-ных датчиков: Учеб. пособие. - Омск: ОмПИ, 1988. - 80 с.

20. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 304 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Основные понятия и определения в области измерений …….…..…. 4

2. Планирование и организация измерений…..…………………….…... 6

3. Методы уменьшения погрешности измерений.……………………… 9

3.1 Методы уменьшения случайных погрешностей ...…………………9

3.2. Методы уменьшения систематических погрешностей …………..10

4. Электромеханические приборы прямого преобразования ………….15

4.1. Структурная схема и уранение преобразования…………………..15

4.2 Основные характеристики электромеханических приборов …….17

4.3. Магнитоэлектрические приборы.……..…………………………..18

4.4. Электромагнитные приборы …………………………………….…21

4.5. Электродинамические приборы …………………………………...23

4.6. Ферродинамические приборы ……………………………………..26

4.7. Электростатические приборы ……………………………………..27

4.8. Индукционные ИМ и приборы на их основе ……………………..30

5. Измерительные преобразователи неэлектрических величин …..… 32

5.1. Общие сведения и характеристики ИП……………………………32

5.2. Классификация измерительных преобразователей ………….…..35

5.3. Резистивные измерительные преобразователи…………………...35

6. Термоэлектрические ИП ……………………………………………...57

6.1. Принци действия термоэлектрических ИП ………………….……57

6.2. Области применения и материалы термоэ,лектрических ИП……59

6.3. Характеристики термоэлектрических ИП…………………………60

6.4. Конструкции термоэлектрических ИП………………………….…64

6.6. Измерительные цепи термоэлектрических ИП …………………. 64

7. Емкостные ИП …………………………………………………………65

7.1. Принцип действия, конструкции, характеристики ЕИП .….…….65

7.2. Области применения, достоинства и недостатки ЕИП…………...66

7.3. Погрешности ЕИП ……………………………………………...…..69

7.4. Измерительные цепи ЕИП …………………………………………70

8. Электромагнитные ИП ………………………………………………..72

8.1. Индуктивные ИП …………………………………………………...72

8.2. Трансформаторные ИП …………………………………………….77

8.3. Магнитоупругие ИП …………………………………………….…79

9. Пьезоэлектрические ИП………………………………………………..81

9.1. Принцип действия, материалы пьезоэлектрических ИП …….…..81

9.2. Характеристики и применение пьезоэлектрических ИП…………83

9.3. Погрешности пьезоэлектрических ИП…………………………….85

9.4. Измерительные цепи пьезоэлектрических ИП …………………...85

Библиографический список ……………………………………………...87

1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации