Электрические сигналы, вырабатываемые датчиками, в большинстве случаев имеют недостаточные напряжение и мощность для того, чтобы их можно было подать непосредственно на измерительное или регистрирующее устройство.
Поэтому они должны быть предварительно усилены до необходимой величины. К сожалению, из-за большого разнообразия процессов (статический, статодинамический или динамический) и диапазона напряжений сигналов и внутренних сопротивлений датчиков ограничиться одним типом усилителя не представляется возможным.
Поэтому в практике измерений применяют различные усилители, учитывающие те или другие особенности. Схемы и приборы для измерения статической деформации. Как указывалось, для измерения деформации в основном применяются тензорезистивные преобразователи, включенные по схеме полумоста или полного моста, в диагональ которого включается измерительное устройство, служащее одновременно индикатором баланса. Питание моста может производиться как постоянным, так и переменным током.
Последнее более предпочтительно, особенно, если усилитель имеет не один, а несколько каскадов. Поскольку в измерителях статической деформации используются схемы равновесного моста, то баланс моста определяется по минимуму сигнала, а величина относительной деформации определяется по лимбу, связанному с движком реохорда и калиброванному в единицах деформации. Для повышения чувствительности индикатора в схему добавляется усилитель постоянного или переменного тока (в зависимости от питания моста).
Приборы для измерения статических и статодинамических процессов. Значительно сложнее обстоит дело с усилением сигнала, в котором наряду с постоянной компонентой имеется еще значительная динамическая составляющая, уровень которой может достигать (или даже превышать) уровень постоянной составляющей. В этом случае применяют либо усилитель постоянного тока, либо вводят модуляцию. Все усилительные каскады собраны на полупроводниковых триодах.
С нагрузки последних каскадов (резисторы сопротивлением 80 ом) усиленный сигнал подается на вибратор или миллиамперметр с нулем в середине шкалы (служащий указателем баланса). При работе с указанным вибратором усилитель имеет следующие характеристики: коэффициент усиления по току 60 дб; входное сопротивление-600 ом; максимальный выходной ток 4 ма; дрейф нуля за 1 ч не превышает 0,1 ма. Необходимо иметь в виду, что балансировка и стабильность подобного усилителя существенно зависят от подбора транзисторов: последние должны иметь не только одинаковую величину р, но по возможности и одинаковую зависимость изменения параметров от температуры. Из-за сложности и нестабильности усилителей постоянного тока (особенно при большом коэффициенте усиления) для усиления статодинамических сигналов используются преимущественно системы с амплитудной модуляцией. Модуляция сигнала обеспечивается за счет применения для питания моста переменного тока относительно высокой частоты.
В этом случае на выходе моста получается переменное напряжение, модулированное по амплитуде измеряемой величиной. Следует отметить, что такой метод преобразования может быть использован при всех датчиках, имеющих параметрические преобразователи. Подобно тому, как это делается в радиоприемниках, модулированный сигнал усиливается до необходимого уровня и подается на детектор. Однако в отличие от детектора радиоприемника демодулятор в усилителе должен выделять не только огибающую, но и определять ее полярность (или фазу).
Для неискаженного усиления сигнала несущая частота выбирается в 5-8 раз больше верхней составляющей частоты сигнала. Выбирать несущую частоту более высокой не следует, так как при этом резко возрастает влияние кабеля. В настоящее время по указанной блок-схеме строятся почти все промышленные усилители, рассчитанные для работы с тензопреоб-разователем (тензостанции) и которые вполне удовлетворительно работают с емкостными или индуктивными преобразователями.
В том случае, когда заранее известно, что исследуемый процесс не содержит постоянной составляющей или она должна быть исключена, целесообразно применять обычные усилители переменного тока с необходимой полосой частот и выходной мощностью. Усилители для пьезоэлектрических датчиков. Как указывалось выше, для нормальной регистрации пьезодатчиком низкочастотных процессов необходимо, чтобы сопротивление нагрузки преобразователя R имело очень большую величину. В противном случае в передаче сигнала будут наблюдаться амплитудные и фазовые погрешности.
Для оценки возникающей при этом погрешности представим эквивалентную схему входной цепи пьезоусилителя в виде генератора заряда Q, нагруженного параллельно включенной емкостью С (состоящей из емкости пьезодатчика Сд, емкости кабеля Сн, входной емкости усилителя Су и масштабной емкости См) и сопротивлением R, образованным сопротивлениями изоляции датчика, кабеля и утечки усилителя. Номенклатура выпускаемых электрометрических ламп достаточно велика, и экспериментатор может выбрать себе наиболее подходящие.
Схемная часть электрометрических каскадов и режимы их подбираются из условия получения максимального входного сопротивления. Каскащы, следующие за электрометрическим, выполняются по обычным усилительным схемам. До настоящего времени в приборах, предназначенных для регистрации длительных процессов, содержащих постоянную составляющую, применяются как усилители с модуляцией, так и усилители постоянного тока.
Трудность изготовления стабильного усилителя постоянного тока общеизвестна. В случае же, когда усилитель, кроме того, должен иметь мощный выход и работать на низкоомную нагрузку (например, высокочастотный шлейф), эти трудности возрастают во много раз. По этой причине ламповые усилители постоянного тока с выходом "по току" практически не делаются. Несколько проще и надежнее получаются усилители постоянного тока с выходом "по напряжению", рассчитанные на применение электроннолучевой трубки.
В случае применения для регистрации шлейфовых осциллографов для усиления сигнала может быть рекомендован усилитель на транзисторах с питанием от аккумуляторов большой емкости. К сожалению, из-за малого входного Сопротивления триодов собрать усилитель целиком на транзисторах не представляется возможным, вследствие чего их делают комбинированными: в первом каскаде используют электрометрическую лампу, а в последующих транзисторы.
При работе пьезоэлектрических преобразователей с усилителем, имеющим высокое входное сопротивление (R= 107-т-1010 ом) имеет место, так называемый "жабельный эффект", состоящий в том, что полностью экранированный коаксиальные кабель, присоединенный к усилителю и подвергнутый тряске, вследствие электризации трением создает на выходе усилителя в диапазоне частот до 500 гц электрические напряжения, достигающие 30 Melg.
Для уменьшения кабельного эффекта используют специальные графитированные антивибрационные кабели типов АВК-2, АВК-3 и др. У этих кабелей поверхность изоляции, расположенной между внутренней жилой и экранирующей оплеткой кабеля, покрыта слоем графита. Это позволяет снизить уровень помех при вибрации кабеля в 30-40 раз.
