Главная Об электрических измерениях. Достоинства и недостатки




которого может служить вольтметр переменного тока, програцуи-рованный в единицах измеряемой величины. Поскольку вольтметр должен иметь большое входное сопротивление, используются электронные вольтметры.

Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного кабелем с вольтметром, представлена на рис. 4.22, д. На этой схеме С - собственная емкость преобразователя; Ci - суммарная емкость соединительного кабеля, входной емкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; R - входное сопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезоэлемента и сопротивление утечки кабеля могут рассматриваться на эквивалентной схеме как составляющие сопротивления R. Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении R. Если на преобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символический метод, выражение (4.83) можно перегасать в виде

Рис. 4.22.

Е = dF/C

(4.88)

Из схемы 4.22, а следует

(4.89)

1 CJC + (.R/juCi)HR + I C0C1) R + I C0C1 fOjRC

1 + JOJR (С + Ci)

(4.90)

Выражение (4.90) представляет собой комплексную функцию преобразования эквивалентной схемы пьезоэлектрического преобразователя, подключенного к усилителю. Из него можно определить комплексную чувствительность или комплексный коэффициент передачи

K(jcj) = и/Е = [С/ (С + Сг)] \}слК1 + (4.91)

где T = R(C+Ci) - постоянная времени.

Модуль чувствительности, или просто чувствительность, схемы

SioS) = \K(joj)\ = [С/(С + Ci)] [wr/Vl + (WT)]. (4.92)



Это выражение показьшает зависимость чувствительности от частоты и является частной характеристикой преобразователя, подключенного к усилителю. График частотной характеристики показан на рис. 4.22, б. Частотная характеристи1<:а может быть представлена в виде двух сомножителей

5(cj) = 5(«)v(cj). (4.93)

Первый из них представляет собой чувствительность при очень больших частотах и не зависит от частоты, так как при oj °°

5(со) С/(С + Ci). (4.94)

Второй сомножитель v(co) = сот/\/ГТ"(сот) определяет нормированную характеристику. Он показьшает относительное изменение чувствительности при изменении частоты.

Из (4.92) видно, что 5 = 0, при со = О, т.е. пьезоэлектрические преобразователи неприменимы для измерения статических напряжений.

Полученные выражения справедливы на средних и низких частотах, т.е. в тех случаях, когда внутреннее сопротивление пьезоэлемента можно заменить эквивалентной емкостью.

Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой. Резонансные свойства зтой системы проявляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повьинению чувствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает.

Погрешность пьезоэлектрического преобразователя. Рабочей областью частот является область, в которой чувствительность остается постоянной. Сверху эта область ограничена резонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени т. Для улучшения частотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать т = Л (С + Ci). Для усиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя применяют усилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 10** Ом). Дальнейшее увеличение постоянной времени может происходить при увеличении Ci; для этого вход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. Однако включение этого конденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах S (°°) и требует увеличения коэффициента усиления усилителя. В схеме, рассмотренной вьпие, постоянная времени т = R{C + Ci) обычно не превышает 1 с. Использование операционных усилителей с обратными связями позволяет создавать приборы, у которых постоянная времени достигает значений 10-100 с.

Верхняя частота рабочего диапазона определяется увеличением чувствительности вследствие механического резонанса. Она довольно высока. Имеются преобразователи с верхней частотой рабочего диапазо на 80 кГц.



в измерительной цепи внешними электромагнитными полями может наводиться паразитная ЭДС. Эта переменная ЭДС создает погрешность. Для защиты от полей измерительная цепь экранируется и датчик соединяется с вторичным преобразователем с помощью экранированного кабеля. Однако нестабильность параметров кабеля, например изменение его емкости, обусловленное изгибом, вызьгеает изменение чувствительности в соответствии с формулой (4.94) и вносит погрещность.

При изгибах кабеля он может расслаиваться. На расслоенных поверхностях вследствие трения образуются электрические заряды. Перемещение заряженных поверхностей под действием вибрации кабеля приводит к появлению некоторой переменной ЭДС. Погрещность, обусловленная вибрацией кабеля, может быть значительно уменьшена применением специальных антивибрационных кабелей.

Нестабильность измерительной цепи может быть вызвана повьш1е-нием влажности воздуха или резким изменением его температуры. При этом происходит увлажнение изоляции, что приводит к уменьшению сопротивления R в эквивалентной схеме рис. 4.22, а. Изменение R вызывает изменение чувствительности и дополнительную частотную погрешность.

Изменение тейтературы пьезоэлемента вызывает также изменение его пьезоэлектрического модуля и чувствительности. Наиболее стабильным пьезоэлектрическим материалом является кварц.

Погрешность преобразователя может быть вызвана также несовершенством пьезоэлектрических материалов: гистерезисом характеристики и ее нелинейностью.

Если в преобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительности пьезоэлемента, то возможна погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом.

4.2.5. Индуктивные преобразователи

Принцип действия и конструкция. Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Имеются две группы преобразователей: с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением. Пример схемы преобразователя первой группы показан на рис. 4.23, а. Преобразователь состоит из П-образного магнитопровода 1, на котором размещена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление, что вызывает изменение индуктивности дросселя. Другая широко используемая модификация (плунжерный преобразователь) показана на рис. 4.23, б. Преобразователь представляет собой катушку 1, из которой может выдвигаться ферро-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 [47] 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114


0.0094