Общи бележки.Параметричните преобразуватели, както е отбелязано в раздел 1, контролират параметрите на енергийния поток, идващ от външен източник, и могат да работят в един от двата режима. В първия от тях преобразувателят е регулатор на постоянен ток или напрежение.
Измервателната информация се носи от закона за промяна на нивото на електрическа величина. Въпреки че такъв преобразувател по същество трябва да бъде нелинейна система, при определени условия неговият изходен сигнал може да се счита за линейно свързан с входа и дори има аналогия с генератора на MEP. Например, в най-простия случай, конвертор с електрически импедансе свързан последователно с товара и се захранва от източник с и вътрешно съпротивление Външно влияние променя импеданса на преобразувателя до , в резултат на което токът във веригата се променя със стойността От тук имаме
Нелинейността на трансформацията въвежда произведението Ho at
Ако импедансът е линейно свързан с входната стойност на MEP (обикновено това е изместване, т.е. тогава можем да запишем
Ако в преобразувателя действа електрическа сила и където не зависят, тогава уравнението на баланса на силите приема формата
Последните две уравнения са подобни на системата от уравнения (1) и (2) и ако тогава такъв преобразувател е еквивалентен на генератор MEP и може да се нарече квазиобратим. За него остават валидни общите забележки от раздел 2. постоянен ток, може да бъде квазиобратимо само при условие, че енергията на източника на енергия се изразходва главно за създаване на електрически или магнитно полев конвертора. Ако полето е малко, тогава няма пондеромоторни снали , Почти същият резултат се получава при захранване с променлив ток поради разликата в спектралния състав на входните и изходните стойности (конверторът, който е модулатор, прехвърля спектър, вижте глава 10).
Изходният сигнал на преобразувателя може да бъде ток (при или напрежение при товара (в обратния случай).
В допълнение към режима на регулатор на тока, параметричният MEC може да работи в режим на възбудител, като е част от веригата за настройка на честотата на генератора със самовъзбуждане. Измерената стойност модулира честотата на генерираното напрежение. Промяната в честотата може директно да се използва като изходен сигнал или да се преобразува в друга форма (дискретна или аналогова). В този режим преобразувателят винаги е необратим.
Ориз. 10. Капацитивен преобразувател: o - с променлива междина (площ); 6 - с променлива пропускливост; c - диференциал
Изходният сигнал на параметричен MEP, захранван от променлив ток, трябва да бъде подложен на детекция (демодулация), обикновено извършвана в усилвателно-преобразуващо оборудване. Тъй като този сигнал действа на фона на друг, който не е носител полезна информация, но по-силен поради факта, че изборът му се извършва от диференциални или мостови вериги.
Капацитивен преобразувател.Принципът на действие на този преобразувател се основава на зависимостта на капацитета между проводниците от взаимното им разположение, размера и свойствата на средата между тях. В най-простия случай на плосък кондензатор неговият капацитет е
къде е площта на електродите; 6 - празнина между тях; ефективна (т.е. като се вземе предвид нехомогенността на свойствата) диелектрична проницаемост на междуелектродното пространство. Възможен електрически схемикапацитивен преобразувател са показани на фиг. 10. Има два вида зависимости на капацитета от изместването x на един от електродите:
Първият от тях съответства на промяна в площта или ефективната пропускливост, вторият - на промяна в празнината.
За първия вид
и за второто
Така уравнение (30) може да се запише в следната форма:
където или за видове 1 и 2, съответно.
Изразът за по същество зависи от електрическия режим на преобразувателя. Поради сложността на анализа в общ изгледние се ограничаваме до два екстремни случая, когато се захранва от източник на постоянно напрежение.
1 Промените на капацитета се случват толкова бавно, че захранването има време да зареди капацитета почти без забавяне, поддържайки същото напрежение върху него, равно, ако няма други капацитети, свързани последователно с преобразувателя. Тогава (32) приема следната форма:
От друга страна, и тъй като е равно на или -
Тъй като зарядът върху капацитета
където е променливата част от таксата, тогава за тип 2 можем да запишем:
2. Промените в капацитета се случват толкова бързо, че зарядът върху него няма време да се промени значително и остава равен на първоначалната стойност. Следователно напрежението в капацитета се променя според закона. Ако зарядът не се промени, тогава токът, преминаващ през капацитета, е нула и източникът на енергия е необходим по същество само за първоначалното зареждане на капацитета (пренебрегвайки тока на утечка). Има обаче малък ток през товара, поддържан от работата на външна сила За зависимостта на първия тип капацитет от изместването (вижте страница 197)
т.е. в допълнение към постоянната сила има допълнителна електрическа еластичност. За втория вид зависимост
Уравнение (32) е написано в следната форма
вторият термин се обяснява с факта, че в началото (при) импедансът е капацитивен? а не натоварването, определя характера на началния ток.
Уравненията на преобразувателя във всички режими и техните решения са обобщени в табл. 2.
2. Уравнения на капацитивен преобразувател
(виж сканиране)
От масата. 2 изрази се вижда, че във всички случаи изходният ток пряко или косвено зависи от.При работа в режим на постоянно напрежение и с еластичен характер преобразувателят е диференциатор. В режим на постоянно зареждане изходният сигнал зависи от вида на товара, по-специално, ако товарът е активен, токът е пропорционален на силата. Във всеки случай обаче е невъзможно да се измерят постоянни сили или премествания. 2 показва, че в един от режимите преобразувателят е квазиреверсивен.
Когато преобразувателят се захранва от източник на променливо напрежение, през него протича ток, дори ако капацитетът не се променя, и токът може да служи като мярка за капацитет за всеки закон на неговата промяна. За изчислението трябва да се използва уравнение (32), като се има предвид какво е функция.Например, когато се захранва от напрежение със синусоидална честота, формулите в табл. 2, можете да определите амплитудата на изходния ток, ако вместо израза отпред вземете неговия модул на честота, наречена носеща, изберете много повече най-висока честотав спектъра В зависимост от съотношението преобразувателят може да работи в два екстремни режима на късо съединение и празен ход.В първия от тях се изпълнява уравнението
а във втория
Изразите за са разделени на две части, като първата е независима от времето, а втората пулсира с честота, те почти винаги могат да бъдат пренебрегнати (вижте по-долу), преобразувателят се счита за необратим
Изчислението показва, че при правилен изборвъв всеки режим амплитудата на изходното задвижване на преобразувателя може да бъде пропорционална на приложената сила. Например за режим на празен ход и променлив клирънс
Следователно е необходимо да се избере така, че знаменателят да е постоянен. С еластичния характер на импеданса, това съответства на активен товар: Мостовите вериги обикновено се използват за измерване.
Най-високата специфична сила на привличане на електродите на преобразувателя се определя от напрегнатостта на пробивното поле и за въздуха е . Ако действащата сила във всички режими е много по-голяма от силата на електрическо взаимодействие, тогава използването на преобразувателя само стеснява възможния диапазон на промяна на входната стойност. Увеличението води до бързо нарастване на нелинейността на трансформацията, която може да бъде намалена чрез прилагане различни методилинеаризация. Един от тях е използването на диференциални преобразуватели (фиг. 10, c), в които капацитетът се променя едновременно в различни посоки. В този случай, заедно с линеаризацията и повишаването на чувствителността, се постига добра компенсация за влиянието на външните условия. Линейността се увеличава значително, ако изходът е обратен на A C, като например промяна в капацитета. Неговата линейна връзка с x се наблюдава до затваряне на електродите на преобразувателя. Директната линеаризация може да се извърши чрез преобразуване на изходния сигнал в допълнителен микропроцесорен модул, което вече е напълно възможно дори в устройства със собствено захранване.
Ако капацитетът е включен в задвижващата верига на генератора за променливо напрежение, тогава е възможно да се измерват не токове или напрежения, а времеви параметри - честота или продължителност. В класически осцилатор с индуктивност периодът на трептене е пропорционален, докато в RC осцилатор зависи линейно от C. Този метод има голяма гъвкавост, тъй като винаги можете да изберете оптималния тип изходен сигнал. Например, когато преобразувателят е включен с променлива междина във веригата на резистивно-капацитивен генератор, честотата на трептене
Промяната в честотата е пропорционална на x и е препоръчително да се използва като изходен сигнал. Ако преобразувателят има променлива площ, тогава периодът на трептене е линейно свързан с изместването
Следователно и в двата случая е възможно да се работи без горното ограничение с висок толеранс на претоварване. Когато преобразувателят е включен колебателна веригатези свойства се губят до голяма степен, но се постига много по-голяма стабилност на параметрите на осцилатора. Поради това последният метод се използва широко във високочувствителни и стабилни измервателни системи. Инверторът с честотен изход е необратим във всички случаи.
Чувствителността на капацитивен преобразувател се определя от неговите геометрични отношения, захранващо напрежение и структурна стабилност. Най-високата чувствителност се постига с променлива междина, но в същото време горната граница на измерване е намалена. Следователно областите на приложение на преобразуватели с променлива площ и променлива междина са различни. Трансдюсери с променлива пропускливост рядко се използват при механични измервания, въпреки че има кристални вещества с голяма зависимост на пропускливостта от механичното напрежение. Такива диелектрици могат да бъдат ефективни в преобразуватели на сила и налягане.
Капацитивните преобразуватели се използват за измерване на сили и величини, сведени до тях, както и премествания, особено малки и свръхмалки.
Индуктивен преобразувател.Действието на индуктивните МЕП се основава на използването на зависимостта на индуктивността на тоководеща верига или взаимната индуктивност на две свързани вериги от техния размер, форма, взаимно положение и магнитна проницаемост на средата, в която се намират. По-специално, индуктивността на намотка с магнитна сърцевина, имаща междина, зависи от дължината на последната (фиг. I).
Да приемем, че пръстеновидната междина, през която са затворени силовите линии, преминаващи извън намотката, е толкова малка, че може да бъде пренебрегната. Ако се обозначава с абсолютната магнитна проницаемост на сърцевината; I - средната дължина на електропровода в сърцевината; индуктивността на намотка без сърцевина, след това индуктивността, показана на фиг. 11 намотки, където ефективната магнитна проницаемост е дадена на празнината;
Тази формула е вярна за If, в допълнение към това, тогава
По този начин,
къде е индуктивността
Ориз. 11. Индуктивен преобразувател: 1 - неподвижно ядро; 2 - бобина; 3 - подвижно ядро
Енергията на магнитното поле в намотката
където ток при Ако се ограничим до термини от 2-ри ред на малкост и вземем предвид, че тогава
Замествайки тези количества в (30), (31) и като вземем предвид, че получаваме уравненията на преобразувателя
От тези уравнения може да се види, че преобразувателят е квазиобратим с коефициент (но не), равен на
Изходен ток
Както обикновено, в предрезонансната област преобразувателят е диференциатор, а отвъд резонанса е мащабен. Захранването на индуктивен преобразувател с постоянно напрежение не се практикува, тъй като, за разлика от капацитивния, той консумира енергия, която безполезно се изразходва за неговото активно съпротивление. При захранване с променливо напрежение консумацията на енергия намалява и става
възможно измерване на постоянни стойности. Изходните параметри се изчисляват по същия начин, както при капацитивен преобразувател. Заключения относно възможността за прилагане на временни или честотни методиизмерване и линеаризация.
Конверторите имат много дизайнерски разновидности. В допълнение към преобразувателите с променлива дължина на междината, които се характеризират с най-голяма чувствителност към движението на сърцевината, са известни преобразуватели с променлива площ на междината; с отворена магнитна верига (без фиксирана сърцевина); с променлива взаимна индуктивност и др. Чувствителността им е достатъчна за измерване на премествания до
Индуктивните преобразуватели се използват за измерване на преместванията и преобразуваните в тях сили и налягания.
Магнитоеластичен преобразувателсе различава от индуктивния по механизма на изменение на индуктивността. Осъществява се чрез директно въздействие на сила върху феромагнитна сърцевина (фиг. 12). Известно е, че пропускливостта на феромагнетика зависи от механичните напрежения в материала. Ако при липса на напрежение пропускливостта е равна, тогава създаването на напрежение a го променя на Чувствителността на феромагнетика към напрежения се характеризира с коефициент, който зависи от a и полето във феромагнетика В определен диапазон от промяна, тогава индуктивността на бобината може да се вземе горен край, височина, след това
Ориз. 12. Магнитоеластичен преобразувател: 1 - ядро; 2 - бобина
Замествайки тази стойност в (30), получаваме уравнение за изходния ток на преобразувателя. Магнитоеластичният преобразувател винаги се захранва с променливо напрежение, което го прави практически необратим. Изходният сигнал се намира по формула, подобна на (35). Тъй като стойностите на коефициента могат да достигнат няколко стотици, преобразувателят е чувствителен към малки напрежения. Въпреки това, шумът във феромагнетика и хистерезисните явления ограничават минималните измерими напрежения до стойност от порядъка
Естествена област на приложение на магнитоеластичен преобразувател е измерването на сили и налягания. Въпреки това, той се използва по-рядко от индуктивния, главно за измерване на бавно променящи се количества с един и същ знак.
Резистивни преобразуватели.Действието на резистивните МЕП се основава на използването на зависимостта на величините, включени във формулата за електрическо съпротивление - дължината на проводника на неговото напречно сечение и специфичната електропроводимост на материала y - от механични въздействия. В най-простия случай резистивният MEP е прав или спираловидно навит проводник с променлива активна дължина, определена от положението на плъзгащия контакт (фиг. 13). Такъв преобразувател се нарича реостат. Изобразеният преобразувател със спирална намотка не е аналогов, а дискретен със стъпка, равна на разстоянието от завой до завой.Когато контактът се премести с x, относителната промяна в съпротивлението е където I е дължината на намотката. Така може да варира от до едно, но обикновено начална позицияконтактът е избран в средата на намотката. Друг пример е тензодатчик - токопроводим елемент, който е подложен на деформация, по-често едноосна (фиг. 14). В този случай се променят всички величини, от които зависи съпротивлението.
За оценка на свойствата на материала на тензодатчика се въвежда коефициентът на тензочувствителност, равен на Изчисляване на промяната на размерите на проводника по време на деформация
дава за стойността, където съотношението на Поасон, равно на Но тъй като в допълнение към това се променя плътността на материала, а оттам и концентрацията на носители на заряд, и кристалната решетка се деформира, се оказва много по-голямо за металите). В полупроводниците, където има два вида носители на заряд и механичните напрежения променят структурата на енергийните ленти и подвижността на носителите, коефициентът на чувствителност към деформация е с порядък по-висок, но зависи от вида на проводимостта, нейната стойност и ориентация на оста на резистора спрямо кристалографските оси на материала.
Ориз. 13. Реостатен преобразувател
Ориз. 14. Тензодатчик
В резистивните преобразуватели влиянието на електрическата страна върху механичната страна може да бъде напълно пренебрегнато и двете могат да се считат за независими. Механичният импеданс на тензодатчика е сравнително малък и еластичен по природа; в реостатния преобразувател плъзгащият контакт е нелинеен елемент (като триене без смазване). Чувствителността на резистивните преобразуватели от двата типа, например по ток, се определя от формулите
където е коефициентът на трансформация на деформацията на обекта в деформацията на тензодатчика , Прехвърлянето на деформация се извършва или по цялата дължина на тензодатчика, или в отделни точки. Конструкциите на устойчиви на деформация MEA са разнообразни. Изработват се в различни форми от тел, фолио, пулверизирано фолио или парче монокристал.
Чувствителността на устойчивите на деформация MEA позволява измерването на динамични деформации до
Реостатните преобразуватели се използват за измерване на относително големи относителни премествания, а тензорезистивните преобразуватели се използват за измерване на деформации и преобразуваните в тях величини: сили, налягания, моменти.
Преобразуватели с променлива характеристика.Специален вид параметрични MEC са преобразуватели с нелинейна характеристика на тока и напрежението, която се променя при механично въздействие върху преобразувателя. Типичен пример е мехатронен преобразувател - електровакуумно устройство с подвижен електрод. На фиг. 15 схематично показва диоден мехатрон с подвижен анод. Когато анодът се движи спрямо катода, което се случва под въздействието на сила върху еластичната мембрана, диодът - зависимостта на анодния ток от напрежението между електродите - се променя. Това се вижда от формулата за анодния ток
където B е коефициент в зависимост от материала и температурата на катода и площта на електродите; анодно напрежение. Промяната е показана на фиг. 16, в десния квадрант на който е показано семейство характеристики на различни междуелектродни разстояния.Изобразяването на зависимостите под формата на графики често е единственото възможно, ако няма аналитични изрази с достатъчна точност. Тъй като в диодната верига е включен товарен резистор, се изпълнява равенство, в резултат на което токът се променя в съответствие с динамичната характеристика, чиято конструкция е показана в левия квадрант на фиг. 16. Въпреки изразената нелинейност на началните I–V характеристики, динамичната характеристика е близка до права линия.
Ориз. 15. Диоден мехатронен преобразувател: 1 - мембрана, 2 - подвижен йод
Ориз. 16. Схема за построяване на динамичните характеристики на преобразувателя
Преброяването на анодното изместване x от първоначалното разстояние 60 и означаването, следователно, уравненията на преобразувателя могат да бъдат записани:
Следователно и двете уравнения са независими. Изходен ток на преобразувателя
Механичният импеданс на механотрона е значителен. В областта преди резонанса, която обикновено е работна област за този тип MEP, конверторът ще бъде мащабиран.
Диодният механотрон е най-простият сред преобразувателите с подвижни електроди. Разработени са конструкции с два анода и диференциална комутационна схема, изпълнени както по диодни, така и по триодни вериги, с чувствителност до няколкостотин микроампера на микрометър. Поради високата си твърдост механотроните са по-подходящи за измерване на сили и налягания.
Наред с вакуума са известни и твърдотелни преобразуватели - полупроводникови диоди и триоди (транзистори), в които е функция на механичното напрежение, приложено към активната област на кристала: -преход, канал. За тази цел могат да се използват почти всички известни видове полупроводникови устройства. Ефектът тук се постига поради факта, че когато размерът на активната област се променя, концентрацията и подвижността на носителите на заряд се променят и в полеви транзисторс изолиран затвор, пиезоелектрична поляризация се появява и в изолационния слой. Полупроводниковите MEA от този тип имат много по-нисък механичен импеданс от механотрон и могат да измерват малки сили, тъй като тяхната чувствителност е висока; въпреки това
стабилността не е достатъчно добра. Засега те не са получили широко разпространение.
резонаторни преобразуватели.Преобразувателите от този тип са генератори с електромеханична обратна връзка чрез честотно селективен елемент, чиито параметри зависят от въздействащото върху него въздействие (фиг. 17). Генератор с пиезоелектричен резонатор във верига обратна връзкавъзбудени с честота, равна на скоростта на разпространение на използваните звукови вълни; цяло число; I е дължината на пътя на вълната в резонатора. Ако върху резонатора действа сила, неговите размери и механични свойства, а с тях и честотата на генериране, се променят в първо приближение пропорционално на силата. По този начин преобразувателят е управляван от сила осцилатор с честотна модулация и е близък до капацитивни или индуктивни MEA с честотен изход, но последният използва не механичен, а електрически резонанс. Но
къде е масата на резонатора; дебелина; модул на срязване по посока
Стабилността се определя от стабилността на комбинацията от геометрични и еластични параметри в скоби. Важноств същото време елиминира изтичането на енергия, генерирана в резонатора, което се постига чрез рационален избор на вида на възбудените вълни, дизайна на резонатора и свързващите елементи.
Неподходящо е да се опишат резонаторните MEP чрез системата от уравнения (1) и (2), тъй като те имат честотен изход и обратният ефект на електрическата страна върху механичната страна се определя от слаби ефекти от втория ред на малкия , и може да се пренебрегне.
Най-разпространени са резонаторните МЕП от друг вид - т. нар. вибрационно-честотни (струнни). Тяхното действие се основава на използването на факта, че естествената честота на опъната със сила струна е пропорционална. Следователно, ако тогава отклонението на честотата от
първоначалната стойност е пропорционална.Въпреки това, твърдотелните резонатори имат добра перспектива, тъй като имат редица предимства, по-специално по отношение на скоростта. Тяхната чувствителност позволява да се измерват сили, които причиняват напрежения от порядъка на величината.Известни са и преобразуватели с чисто електрически резонатори от тип клистрон, които обаче не надхвърлят лабораторните изследвания поради значителни оперативни неудобства. Резонаторните MEP се използват за измерване на сили и количества, които могат да бъдат намалени до тях.
Ориз. 18. Вихровотоков преобразувател
Преобразувател на вихров ток.Действието на преобразувателите на вихров ток (или вихров ток) се основава на използването на явлението електромагнитна индукция. Ако в магнитното поле на тока има проводящо тяло, тогава при промяна на полето в него се възбуждат късосъединени (вихрови) токове, изсмукващи енергията на полето)
Зареждане...