Приборы для измерения неэлектрических величин состоят из двух основных частей: преобразователя и измерительного устройства.
Очень часто между этими частями имеются вспомогательные элементы (провода, кабели, аттенюаторы и согласующие устройства), а измерительный прибор разбивается на ряд блоков: усилительное устройство, измерительный или регистрирующий прибор и блок питания. Назначение каждого из узлов весьма четко определено его наименованием.
Первый из них преобразователь-является устройством, обеспечивающим восприятие измеряемой входной величины (скорости, давления и т. п.) и преобразование ее в величину, удобную для передачи по линиям связи, усиления, измерения или регистрации электрическими средствами. Наряду с термином "преобразователь" в технической литературе часто встречается другой термин "датчик", имеющий одинаковое с первым значение.
В настоящей брошюре под "датчиком" понимается конструктивно законченный преобразователь, предназначенный для выполнения определенной функции (например, датчик давления, датчик скорости) безотносительно к заложенному в нем принципу преобразования. В случае, когда необходимо одновременно характеризовать и принцип преобразования, в название датчика включается соответствующее определение, например пьезоэлектрический датчик давления и т. д. Усилительный блок, равно как и блок питания, не является неотъемлемой частью измерительного прибора.
В ряде случаев эти блоки могут отсутствовать, например при измерении скорости вращения с помощью индукционного тахогенератора и чувствительного гальванометра. Иногда усилительный блок разбивается на два блока: согласующий каскад (часто катодный повторитель) и основной усилитель. Такое разделение имеет место, в частности, при применении пьезоэлектрических преобразователей, устанавливаемых далеко от измерительного блока.
В этом случае катодный повторитель с большим входным сопротивлением располагается вблизи преобразователя, в результате чего длинный кабель (иногда до 100-200 м), подключенный к низкоомной нагрузке повторителя, не оказывает заметного влияния на измерения. Неэлектрические величины, преобразованные в электрические напряжение или ток, измеряются или регистрируются соответствующим устройством. В качестве измерительного устройства часто используются показывающие стрелочные и цифровые приборы, а в качестве регистрирующих устройств различные самописцы, осциллографы и магнитные регистраторы.
Преобразователи механических величин в электрические: Преобразователь механической величины в электрическую является одним из основных элементов измерительного прибора. Выбор преобразователя в значительной степени предопределяет выбор схемы усилительного устройства и блока питания. Поэтому выбору преобразователя следует уделять особое и пристальное внимание.
По принципу работы преобразователи делятся на два основных типа: активные или генераторные и пассивные или параметрические. В первых входная величина непосредственно преобразуется в электрический сигнал; во вторых выходными величинами являются изменения электрических параметров схем: сопротивлений, емкостей, частоты и т. д. К первому типу относятся пьезоэлектрические и индукционные преобразователи, а ко второму емкостные, индуктивные и др.
В отличие от параметрических, питаемых от внешнего источника, активные преобразователи под воздействием измеряемой величины, сами генерируют электрические сигналы с соответствующими напряжениями, частотой или фазой переменного тока. В случае, когда непосредственное преобразование входной величины в выходную произвести не удается, применяется промежуточное преобразование, например, в тензометрических преобразователях, где измеряемая величина (например, сила) преобразуется в деформацию упругого элемента, которая приводит к изменению электрического сопротивления.
Для измерения одной и той же механической величины могут быть использованы датчики, основанные на различных принципах преобразования, которых существует весьма много, но которые не всегда равнозначны по возможностям, обеспечению точности и т. д. Поэтому в дальнейшем рассматриваются только те принципы, которые, по нашему мнению, наиболее подходящие, а преобразователи и датчики с их использованием получаются проще, надежнее и достаточно разработаны с конструктивной и принципиальной стороны.
Резистивные преобразователи Резистивные преобразователи являются наиболее распространенным видом преобразователей. Однако из всего многообразия наибольшее распространение получили лишь первые три типа. Контактные преобразователи: Контактными преобразователями называются такие преобразователи, у которых входная величина (например, механическое перемещение или ускорение) вызывает замыкание или размыкание контактов, управляющих электрической цепью.
Простейший контактный преобразователь имеет одну пару контактов, замыкаемых (или размыкаемых) при соответствующем перемещении щупа Щ, осуществляющего контроль, например, толщины движущейся ленты. Особенностью контактных преобразователей является дискретность измерения: контакты замыкаются (или размыкаются) при вполне определенных, наперед заданных перемещениях щупа, на которые отрегулирована контактная система. Расширение пределов измерения перемещения может быть произведено с помощью рычага второго рода.
В зависимости от соотношения плеч U и h можно получить увеличение или уменьшение перемещения подвижного контакта по сравнению с перемещением щупа. Надежность и точность контактных преобразователей зависят в первую очередь от материала и качества изготовления контактов. Материал для контактов выбирают, исходя из предполагаемых условий работы: контактного давления, мощности управляемой цепи, напряжения и т. д. Наиболее подходящими для контактов являются серебро, платина, вольфрам, сплавы платины с иридием и др.
Реостатные преобразователи: Реостатным преобразователем называется реостат, движок которого перемещается в соответствии со значением измеряемой неэлектрической величины. Таким образом, естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, которое может быть либо линейным, либо угловым.
Выходной величиной реостатных преобразователей является активное сопротивление, распределенное линейно или по некоторому закону перемещения движка. Конструктивно реостатные преобразователи выполняются как проводом, намотанным иа каркас, так и реохордного типа. В особо ответственных случаях применяют проволоку из сплавов платины с иридием, палладием или рутением. Каркас преобразователя изготовляется из текстолита, стеклотекстолита или пластмассы; применяются также каркасы из алюминиевых сплавов, покрытых изоляционным лаком или оксидной пленкой.
Последние более термоустойчивы, что позволяет повысить плотность тока в обмотке и тем самым повысить чувствительность преобразователя. Формы каркасов весьма разнообразны: они могут быть выполнены в виде плоской или цилиндрической пластины, плоского или цилиндрического кольца, плоского сегмента и т. д. Величина реактивного сопротивления реостатных преобразователей весьма мала; поэтому ее можно не принимать во внимание до частот порядка нескольких десятков тысяч герц.
Аналогично контактным реостатные преобразователи являются ступенчатыми (за исключением преобразователей реохордного типа), поскольку непрерывному изменению измеряемой величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления, равное величине сопротивления одного витка. Это обстоятельство вызывает определенную погрешность измерения, которая уменьшается с увеличением числа витков преобразователя на единицу измеряемой величины, вследствие чего общее число витков преобразователя обычно выбирают не менее 100-200. Недостатком первых трех схем является нелинейная зависимость тока от перемещения движка.
В основе работы тензорезисторов лежит свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление под действием приложенной к ним силы. Широкому применению тензорезисторов способствуют в первую очередь их малые размеры и вес, возможность измерения как статических, так и динамических деформаций п т. Д. В настоящее время имеют распространение проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочные тензорезисторы.
В наиболее простом случае проволочные тензорезисторы представляют собой отрезок проволоки, концы которого (или весь отрезок) жестко закрепляются с помощью клея пли цемента на упруго деформируемой детали. Сжатие или растяжение детали вызывает пропорциональное растяжение или сжатие проволоки, в результате чего изменяются ее длина, поперечное сечение п удельное сопротивление, что в конечном счете приводит к изменению электрического сопротивления проволоки.
