11. Струнни сензори
Глава 11 ЖИЧНИ СЕНЗОРИ
§ 11.1. Цел и принцип на действие
За измерване на неелектрически величини се използва ипо-честометод, при който измерената стойност се преобразува в променливо напрежение, чиято честота зависи от тази стойност. Предимството на метода за измерване на честотата е, че в процеса на предаване и по-нататъшна обработка на честотния изходен сигнал не възниква допълнителна грешка. Всъщност, ако изходният сигнал на сензора е напрежение, тогава, когато такъв сигнал се предава на разстояние, възниква спад на напрежението върху проводниците на комуникационната линия. Ако изходният сигнал на сензора е например съпротивление, тогава съпротивлението на проводниците на комуникационната линия се добавя към него. А при метода за измерване на честотата наличието на съпротивление на проводниците на комуникационната линия и вътрешното съпротивление на измервателното устройство не променят честотата на сигнала. Друго предимство на честотния сигнал е удобството да се преобразува в цифров код. Това е особено важно във връзка с неотдавнашното развитие на цифрови измервателни инструменти и използването на цифрови компютри в автоматизацията.
Струнните преобразуватели са получили най-голямо развитие за преобразуване на неелектрически величини в честота. Принципът на действие на струнния сензор се основава на зависимостта на собствената честота на вибрациите на опъната струна с дължина и масаmот силата на опънF:
Преобразувателите на струни се използват в устройства за измерване на сила, налягане, поток, температура и т.н. Когато измерената сила се приложи към струна, струната практически не се разтяга, така че основният преобразувател (например мембрана в сензор за налягане) работи без да се деформира. Това обстоятелство значително намалява грешката на измерване поради механичнихистерезис и еластично последействие на материала на първичния преобразувател.
мембрана4на фиг. 11.1. Когато наляганетоPсе промени, силата на опън на струната се променя. С помощта на възбудител2,, който може да бъде електромагнит, струната се извежда от равновесие и започва да трепти с честотаf, определена от наляганетоP.Приемникът3преобразува движението на струната с честотаfв електрически сигнал със същата честота. Индуктивен, капацитивен или друг сензор може да се използва като приемник3. На практика
най-често използваният електромагнитен сензор. Факт е, че той може алтернативно да изпълнява функциите на възбудител или приемник. Когато се приложи напрежение към намотката му, то създава електромагнитна сила на привличане за струната и възбужда нейните вибрации. И когато струната вече вибрира, тогава от същата намотка се премахва променливо напрежение, чиято честота е равна на честотата на вибрация на струната.
Струнните преобразуватели се използват в два режима: автоколебане и работа при поискване. В първия случай струната непрекъснато осцилира, а във втория работи в по-леки условия, експлоатационният му живот се увеличава и сензорът е малко по-прост.
§ 11.2. Устройство за записване на струни
За да се осигури необходимата точност, чувствителност и надеждност на струнните пикапи, е необходимо да се избере подходящ материал за струни. Този избор се определя както от условията на приложение на пикапа, така и от метода на възбуждане на вибрациите на струната. Материалът на низа е предмет на следнотоизисквания: висока якост при вибрационни натоварвания, определена стойност на температурния коефициент на линейно разширение (малък или равен на същия коефициент на структурния материал на сензора), независимост на еластичните свойства от времето и температурата.
Възможно е да се използват както феромагнитни, така и неферомагнитни струнови материали. При използване на феромагнитна струна се използват електромагнитни вибрационни възбудители. Под действието на ток, протичащ през намотката на неподвижен електромагнит, върху струната се прилага сила на привличане, която я извежда от състояние на покой. При използване на неферомагнитна струна се използват магнитоелектрични възбудители на трептене. Когато ток преминава през низ, той изпитва привличаща (или отблъскваща) сила към полюсите на постоянен магнит.
Стоманените струни, изработени от кръгла тел за пиано с диаметър 0,1–0,3 mm, са най-широко използвани в струнни пикапи с електромагнитно възбуждане. С дължина 40-60 mm в такива струни се възбуждат трептения с честота 700-2000 Hz. Напоследък се използват по-гъвкави и по-надеждни закрепващи стоманени ленти с дебелина 0,08-0,1 mm и ширина 1-2 mm. Честотата на трептене на стоманената лента достига 3 kHz и по-висока. Стоманените струни и ленти работят в режим на зададената дължина. В този режим струната е прикрепена към относително по-масивен еластичен първичен преобразувател, също изработен от стомана. Същият температурен коефициент на линейно разширение на материала на струната и материала на конструкцията на сензора позволява да се намали температурната грешка.
В дадения режим на дължина струната е много чувствителна към нестабилността на закрепването и при използване на неферомагнитни струни обикновено е необходимо да се изолира поне един от краищата на струната, коетовлошава механичната стабилност на крепежния елемент. Следователно неферомагнитните струни обикновено се използват в режим на дадена сила. Използваният материал е берилиев бронз, волфрамови сплави, както и специална желязо-кобалтова сплав. Струните от волфрамова сплав се предлагат както в кръгли, така и в лентови струни. Други материали обикновено се използват под формата на ленти.
При избора на размери на низовете се вземат предвид следните противоречиви изисквания. При малка дължина размерите на сензорите се намаляват, чувствителността и устойчивостта на вибрации се увеличават. Това обаче увеличава грешката поради несъвършенството на закрепването и влиянието на собствената твърдост на струната. За да се осигури малка грешка от собствената му коравина, трябва да се стремим да изпълним условието //d, където / е дължината на струната,dе диаметърът на кръга или дебелината на лентата. Обикновено не се препоръчва да избирате дължина на струната / по-малка от 20 мм. Напречното сечение на струната се избира в зависимост от необходимата граница на промяна на напрежението и целесъобразното механично напрежение в струната. Например, за бронз се препоръчва да изберете напрежение не повече от 0,5% от модула на еластичност.
Дизайнът и материалът на приставката за струни са от първостепенно значение за стабилността на звукоснимателя за струни. При ниски механични напрежения (до 200 N/mm 2) методите за закрепване, показани на фиг. 11.2. Закрепването с винт (фиг. 11.2,a)води до значително свиване на струната и лоша стабилност. Закрепването в слот дава по-добри резултати (фиг. 11.2, b). Лентовите струни са фиксирани между две добре изработени и монтирани успоредни равнини (фиг. 11.2, c). По същия начин могат да се закрепят и кръгли струни. За сензори с висока точност се използват по-сложни структури за закрепване на струни. За отстраняванемеханични напрежения при инсталиране на крепежни елементи използване
термично стареене под формата на няколко цикъла на нагряване до 80–100°C (4–8 h всеки).
С помощта на струнни сензори е възможно автоматично измерване на сила, налягане, преместване, ускорение, температура и други неелектрически величини. На базата на струнни сензори, цифрови електрически измервателни уреди на константа
и променлив ток. Диапазонът на изходния сигнал - честота - е 300-500 Hz. За да елиминират смущенията в индустриалната честота, те се стремят да увеличат минималната стойност на честотата. Високата честота също улеснява преобразуването му в цифров код. Например, за да се получи грешка в дискретността на броенето, която не надвишава 0,1%, при честота 1000 Hz е достатъчно да се преброят импулсите на изходния сигнал на сензора за 1 s. Най-широко използваните струнни тензодатчици. Нека разгледаме схемата за измерване с помощта на тензодатчик на струна (Фиг. 11.3,а).В случай1е фиксирана струна2,чието първоначално напрежение може да се настрои с помощта на регулиращия винт3.Вибрациите на струната се възбуждат с помощта на електромагнит4.ny сензор, измерен с честотен метър. В струнните тензодатчици се използват струни с дължина 20–200 mm с първоначално механично напрежение 300–400 N/mm 2 и максимално до 800 N/mm 2. С тяхна помощ чувствителността на измерване на относителната
деформации в N0 -6 .
На фиг. 11.3,bпоказва диаграми на напрежението, подадено към намотката на електромагнита4,и напрежението, взето от приемника5в режим при поискване.Сигналите за заявка се изпращат периодично под формата на единичен импулс, а сигналът за отговор е под формата на затихнали трептения с честота /, определена от силата, приложена към струната. Както следва от уравнение (11.1), тази зависимост е нелинейна.
С помощта на някои проектни мерки тази нелинейност може да бъде намалена. Но при пикапи с една струна е доста трудно да се осигури нелинейност по-малка от 2-3% от диапазона.
За да се повиши точността на преобразуването и да се увеличи линейността, се използват двуструнни диференциални сензори. Преобразувателят сила към честота (фиг. 11.4) се състои от две струни
1 и 2,поставени под малък ъгъл един спрямо друг и опънати със сила2F0,генерирана от пружина3.
Пружината4балансира първоначалното напрежениеF0в струната2.Измерената силаF,приложена към лоста5,преразпределя общата сила на опън2F0,увеличавайки напрежениетоF2на струната2и намалявайки напрежениетоF1струни/. Под струните1 и 2има женски възбудители6и7и приемници на вибрации8и9.Приемниците са свързани към входа на усилватели10и11,и възбуждат li към изхода на тези усилватели. Напреженията от усилватели10иI 1с честоти съответноfi иf2се подават към смесителя12и филтъра13,на изхода на който се получава сигналът разлика час tota