этом наилучшим образом реализуются преимущества метода сравнения.

При измерении изменяющихся во времени механических величин появляются существенные дополнительные погрешности (динамические ошибки), если частотная характеристика датчика выбрана без учета длительности измеряемого процесса.

При наличии в конструкции датчика сочетания массивных и упругих элементов его частотная характеристика имеет явно выраженный максимум, определяющий собственную резонансную частоту датчика. Эта частота тем больше, чем меньше масса и больше упругость взаимодействующих элементов и наоборот.

Для уменьшения динамических погрешностей при измерении датчик должен быть выполнен так, чтобы его собственная резонансная частота была значительно больше (или меньше) частоты исследуемого процесса. Наиболее часто используются датчики, собственная резонансная частота которых лежит значительно выше частот исследуемых процессов.

Контактные, емкостные, индуктивные и потенциометрические датчики могут быть выполнены с собственной резонансной частотой, не превышающей 1 ООО гц. У проволочных (тензометрических) датчиков частота колебаний упругого элемента составляет несколько тысяч герц.

Наибольшую собственную резонансную частоту имеют магнитоупругие и пьезоэлектрические датчики (десятки тысяч герц).

Измерение динамических процессов, характеризующихся частотой, не превышающей нескольких сотен герц, может производиться практически любым подходящим по требуемому преобразованию датчиком.

Индикаторное устройство также существенно влияет на характеристики измерителя неэлектрической величины. Оно характеризуется чувствительностью, максимальной величиной измеряемого электрического сигнала на входе и номинальной частотой собственных колебаний подвижной системы. Этими же параметрами характеризуются и большинство регистрирующих устройств - различные самопишущие и осциллографические устройства.

Измерители со стрелочными индикаторными приборами применяют только для измерения статических или очень медленно изменяющихся неэлектрических величин. Измерители с регистрирующими устройствами, в которых сигналы записываются пером, применяются для измерения величин, изменяющихся с частотой не более 1-2 гц. Шлейфовые осциллографы могут записывать переменные электрические сигналы с частотой до 1-3 кгц.

Наблюдение и регистрация быстроменяющихся сигналов производятся при помощи электронных осциллографов и устройств магнитной записи.

При выборе индикаторного или регистрирующего устройства важное значение имеет

потребляемая ими мощность по входу измеряемого сигнала.

При малой мощности, потребляемой индикатором, измеритель может иметь простую конструкцию -без дополнительных усилителей.

19-2. ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Датчики, в которых изменения неэлектрической величины преобразуются в изменения электрического сопротивления, называют датчиками сопротивления. К ним относятся реостатные, потенциометрические, тензометрические, тензолитовые, датчики контактного и термосопротивления и электролитические датчики.

Реостатные, потенциометрические датчики

Реостатный датчик представляет собой переменное сопротивление (рис. 19-3, а). Подвижный контакт этого сопротивления механически связывается с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.

=0

а

Рис. 19-3. Схемы реостатных датчиков.

а - реостатный датчик: б-потеицио метрический датчик; в - нагруженный потенциометрический датчик; г - потенциометрический датчик, фиксирующий величину и направление перемещения.

Обычно реостатные датчики применяются в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические, например в поплавковых измерителях уровней жидкостей, различных манометрах, расходомерах и т. п.

Датчик сопротивления, включенный в электрическую цепь делителем напряжения, называют потенциометрический датчиком. Выходной величиной такого датчика будет падение напряжения между подвижным и одним из неподвижных его контактов (рис. 19-3,6).

Зависимость выходного напряжения t/вых от величины перемещения а (углового или линейного) подвижного контакта соответствует закону изменения сопротивления- вдоль потенциометра между неподвижным и подвижным контактами.

У потенциометров с линейно изменяющимся сопротивлением выбор первого или

ofi CtS

Рис. 19-4. Нагрузочные характеристики потенциометрических датчиков. а - обычного датчика; б - двухтактного датчика.

второго неподвижного контакта в качестве одного из выходных зажимов (вторым является подвижный) не влияет на закономерность выходного напряжения. У потенциометров же с нелинейной зависимостью изменения сопротивления при использовании противоположного неподвижного контакта меняется закономерность изменения выходного напряжения. В обычно используемых датчиках с линейно изменяющимся сопротивлением выходное напряжение пропорционально величине смещения скользящего контакта

t/вых = -~ а = t/cKa. (19-3) макс

где К = а/а.

Линейная зависимость выходного напряжения от перемещения подвижного контакта пропорционального потенциометрического датчика сохранится в том случае, если выход датчика не нагружается. У нагруженного потенциометрического датчика сопротивлением i?H (рис. 19-3, е) линейность указанной зависимости нарушается. Величина выходного напряжения нагруженного датчика при этом определяется соотношением

г/вых=---(Jo. (19-4)

Указанная зависимость представлена в виде графиков на рис. 19-4, а для различных величин нагрузок датчика, выраженных отношением Ro/Rn- Относительное отклонение от линейной характеристики, определяемое как

At/птн =

-t/в

оказывается равным At/oT =

где t/вых.н-выходное напряжение датчика при нагрузке. Величина At/отн становится максимальной при Ла = 1/2 и равной RJiR.

Для измерения величины и фиксации направления перемещения применяются так называемые двухтактные (двуполярные) потенциометрические датчики (см. рис. 19-3, г).

Статические характеристики нагруженного датчика такого типа приведены на рис. 19-4, б. Выходное сопротивление нена-груженного двухтактного датчика может быть определено из выражения

?вых = -у/?о(2-А )- (19-5)

Чувствительность двухкоитактного линейного потенциометрического датчика составляет:

Авых t/o

(19-6)

макс

Чувствительность потенциометрических датчиков сравнительно невелика и составляет 3-5 в/мм (в/град). Она может изменяться за счет изменения величины Vo. Максимально возможное значение чувствительности при этом определяется конструкцией датчика.

Потенциометрические датчики изготовляются со сплошным проводящим покрытием и с сопротивлениями, намотанными тонкой проволокой на специальный каркас.

Датчики с проволочным сопротивлением обладают дополнительной погрешностью преобразования, вызываемой ступенчатостью изменения сопротивления hU=lJo/n, где п - число витков намотки. Эта погрешность тем меньше, чем меньше диаметр намоточного провода. У проволочных 1готен-циометрических датчиков величина максимальной чувствительности Лакс зависит от допустимой (из соображений точности пре-

Таблица 19-1

Данные материалов проволоки, употребляемой для намотки датчиков

Материал

Константан Нихром . . Манганин . Никелин . . Реотан . . Фехраль . ,

Эдванс . .

Платина . .

Золото . .

Никель .

Удельное сопротивление, от-мм1м

Температурный коэффициент сопротивления, I/-C-10-

0,44-0,52

1-1,2 0,42-2,08

0,42

0,47

1,38

0,488 0,09-0,105 0,022 0,0703-0,079

130 29-40

15 (при 2000 БО (при 400°С)

2 570-3 980

6 000

Максимальная рабочая температура, С

Температурный коэффициент линейного расширения, 1/°С-10

образования) величины ступенчатости ДгУдоп и определяется выражением

ДДоп А макс - *

Для намотки проволочных реостатных датчиков употребляются материалы, указанные в табл. 19-1.

Достоинствами реостатных датчиков являются их высокая стабильность и точность преобразования, а также простота конструкции, малый вес и габариты, возможность питания постоянным и переменным током, простота регулировки.

Наличие подвижного контакта ограничивает срок службы датчиков и ухудшает надежность их работы.

В реостатных датчиках большое значение имеет контактное давление. Если не учитываются инерционные силы, контактное давление должно быть пропорционально максимальной силе тока через подвижный контакт.

Входное усилие Fbx реостатного датчика равно силе трения между подвижным контактом и сопротивлением датчика, а сила трения в свою очередь пропорциональна контактному давлению.

Погрешность преобразования определяется стабильностью питающего напряжения, величиной температурного коэффициента сопротивления, точностью изготовления каркаса, равномерностью намотки, сечением провода и технологией изготовления.

Тензометрические датчики

Работа тензодатчиков основана на использовании свойств материала изменять электрическое сопротивление при деформации под действием внешней силы. Тензо-датчики делают из проволоки, фольги или ленты.

Проволочные тензодатчики. При растягивании проволоки в пределах упругой деформации ее сопротивление R изменяется из-за увеличения начальной длины 1о, уменьшения площади сечения д и изменения удельного сопротивления р

Д = Р, Я

где р -удельное сопротивление материала проволоки om-mmIm; Iq - начальная длина проволоки, м; q - площадь сечения проволоки, мм.

Проволочные датчики имеют разнообразную конструкцию (рис. 19-5). Проволоч-

вумага ---

& Выводы 0

Фольга

Тен золит

бумага

База.

Рис. 19-5. Тензодатчики.

а - проволочная наклеенная спираль; б - нена- Клеенная спираль; в - тензслит; г - фольговая спираль.

ную спираль часто наклеивают специальным клеем на тонкую бумагу, которая затем наклеивается на деталь, подвергаемую испытанию. Вместе с деталью деформируется основа (бумага) и наклеенная на ней проволочная спираль. Материал основы и ее толщина оказывают влияние на передачу деформирующего усилия.

Эти датчики применяются также и в виде ненаклеенной спирали (рис. 19-5, б),-струны и других конструкций.

Если проволока датчика подвергается упругой деформации, то между относительным изменением сопротивления проволоки hR/Ro и ее относительным удлинением