Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 7

При рассмотрении датчиков для измерения скорости необходимо различать датчики линейной скорости и датчики угловой скорости. Если угловая скорость почти постоянна, мы говорим также об измерении числа оборотов в минуту, об/мин. В следующем разделе мы обсудим несколько методов и принципов, часто используемых для преобразования информации о скорости в электрический сигнал.

Преобразование скорость-частота

Измерение скорости часто сводят к измерению частоты, поскольку частоту электрического сигнала можно измерить очень точно. Преобразование выполняется с помощью диска или ленты с большим числом меток (обнаруживаемых элементов), помещенных на равных расстояниях Δх. Скорость может быть найдена из соотношения v=Δxn/t =Δxf, где n – число меток, обнаруженных за t секунд, а f – частота выходного сигнала. Обнаружение меток можно выполнить оптическим, механическим, индуктивным или емкостным методом. Так как f=v/Δх, разрешающая способность при измерении скорости определяется скоростью v и расстоянием Δx. Разрешающая способность уменьшается с уменьшением скорости, и поэтому для измерения малых скоростей расстояние Δх должно быть очень малым.

Измерение скорости путем дифференцирования и интегрирования

Для линейной скорости v(t):

,

где x(t) – линейное смещение. Для угловой скорости ω(t):

,

где θ(t) – угол поворота.

Из этих двух выражений с очевидностью следует, что можно получить сигнал, пропорциональный скорости объекта, вычисляя производную выходного сигнала датчика смещения. Не составляет труда создать электронную схему для дифференцирования электрического сигнала. Однако имеется одно неудобство связанное с этим: разрывность выходного сигнала датчика смещения (из-за конечного разрешения) будет причиной больших импульсных помех в сигнале, характеризующем скорость. Кроме того, высокочастотный шум и другие помехи возрастают при дифференцировании. Это связано с тем, что коэффициент передачи дифференциатора возрастает линейно со скоростью 6 дБ/октаву с увеличением частоты. Поэтому сигнал, выражающий скорость, полученный путем дифференцирования сигнала, характеризующего смещение, почти всегда страдает присутствием шума и помех.

Другая возможность получения значения скорости состоит в интегрировании линейного ускорения а(t):

,

или для углового ускорения а(t):

.

Если мы предполагаем, что при t=0 скорость была нулевой, то достаточно проинтегрировать ускорение на интервале (0, t). Это можно выполнить с помощью относительно простой аналоговой электронной схемы. Недостаток этого метода состоит в том, что выходное напряжение любого реального интегратора из-за утечки или дрейфа будет очень медленно увеличиваться или уменьшаться, даже в том случае, когда входное напряжение равно нулю. Поэтому интегрирование таким способом возможно только для относительно коротких интервалов времени. Электронные интеграторы часто используются для измерения скорости вибрирующих элементов механических устройств. Наконец, надо отметить, что частотная характеристика интегратора линейна с наклоном -6 дБ/октаву. Поэтому шум и помехи подавляются тем сильнее, чем выше частота этих нежелательных воздействий.

Индуктивные датчики скорости

В индуктивных датчиках скорости движение объекта с некоторой скоростью приводит к изменению магнитного потока Ф, который наводит эдс в проводнике. Это наведенное напряжение характеризует скорость измеряемого объекта. Сказанное становится очевидным при обращении к рис. 3.11(а). Напряжение, наведенное в i-том витке катушки этого индуктивного датчика скорости, определяется соотношением:

.

Учитывая эдс, наведенную во всех n витках, находим напряжение на зажимах катушки:

.

Таким образом, выходное напряжение V пропорционально скорости v магнита для заданной величины х. Чувствительность датчика равна k. К сожалению, датчик является нелинейным, поскольку k=k(x). Поэтому, этот тип датчика также используется в балансной схеме. Так как в датчике скорости, приведенном на рис. 3.11(а), перемещается магнит, он назван магнитодинамическим.

Другой пример индуктивного датчика скорости был дан на рис. 3.3. Здесь магнит неподвижен, а движется катушка, поэтому этот датчик называется электродинамическим. На рис. 3.11(b), в качестве примера, показан датчик скорости потока. По трубе, находящейся в сильном магнитном поле с индукцией В, между двумя электродами течет проводящая жидкость. Магнитное поле вызывает появление на электродах разности электрических потенциалов, которую можно рассчитать следующим образом: предположим, что индукция В и скорость потока постоянны по всему поперечному сечению трубы  и Вv; тогда изменение потока ΔФ за секунду в столбце жидкости между двумя электродами составит ВΔА=Вlv, где l – расстояние между электродами. таким образом, наведенное напряжение с полярностью, указанной на рис. 3.11(b), равно:

.

Чувствительность индуктивного датчика скорости потока относительно невелика. например, при скорости потока 1 м/сек в трубке диаметром 5 см, находящейся в сильном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл, появляется выходное напряжение величиной всего лишь 5 мВ. В принципе, датчик линеен, но из-за изменения скорости потока вдоль поперечного сечения трубы, вызванной вязкостью жидкости, это не всегда имеет место. Можно показать, что выходное напряжение V линейно связано со средней по поперечному сечению скоростью потока: , где Q – общий объем жидкости, протекающей через поперечное сечение площадью  за секунду.

Датчики ускорения

Преобразователи для измерения ускорения основаны на измерении силы F, необходимой для придания известной массе (подвижной массе  m) такого же ускорения (а), какое имеет измеряемый объект. Зная значения силы и массы, определяем ускорение: . Однако присоединение этой массы (и дополнительной массы корпуса датчика) к измеряемому объекту может повлиять на величину измеряемого ускорения. Поэтому дополнительная масса должна быть сведена к минимуму, особенно когда объект измерения очень упругий или имеет малую массу. Мы не будем отдельно касаться датчиков ускорения, поскольку необходимые методы и принципы преобразования будут рассмотрены в следующем разделе, посвященном датчикам усилий.