Двигател/,

Червячная передача

Клапан для заполнения резервуара

ттшлшшш

щееся червя чное\ колесо \

Поршенс

Объем

Резервуар на 100 мл

Поток

100 mp

В, ЮОкОм

-tio.ooe

пост тока (эталон)

Рис. 10.6. Использование датчика положения для определения объема жидкости, вытесненной из шприца.

Изменение объема-скорости потока {dV[dt).

еако, как известно из курса физики, скорость является первой производной по времени от пути, т. е.

V{x)=dx/dt. (10.26)

Аналогично ускорение - это первая производная по времени от скорости и, следовательно, вторая производная от пути, или

aix) = dV/dt = dx/dt\ (10.27)

Следовательно, можно получить с датчика сигнал о местоположении и затем, используя электронную дифференциальную схему, найти Vx и ах-

Если проявить изобретательность, то положение может сообщить нам и еще кое-какие параметры. На рис. 10.6 показан простой пример, в котором положение некоторой части прибора пропорционально некоторой переменной, значение которой мы и хотим измерить. На рисунке показан щприц, специально изготовленный для одного биофизика, который занимался изучением функций глаз животных. Шприц состоит из камеры, заполненной жидкостью, и насоса, с помощью которого производится впрыскивание жидкости. На рисунке с упрощениями и условностями показана система, которая применяется на практике.

Камера насоса изображена здесь как резервуар с порщнем. Резервуар заполняется через верхний клапан, при этом порщень полностью выдвинут (находится в крайнем левом положении), затем клапан запирается. Потенциометр Ri имеет сопротивление 100 кОм и относится к потенциометрам с линейно-распределенным сопротивлением. Для изменения сопротивления служит ползунок. Он связан с перемещающимся червячным колесом таким образом, что Ri=0 Ом, когда поршень полностью выдвинут из резервуара, и Pi = 100 кОм, когда поршень переместился в противоположный конец резервуара.

Вид электрической схемы, в которую включается Ru зависит от того, какая информация должна быть получена. Для схемы, представленной на рис. 10.6, £пол=10 В, когда поршень находится в крайнем правом положении. Напряжение, снимаемое с выхода этой схемы, представляет собой аналог объема жидкости, вытесненной поршнем, при этом масштабный коэффициент равен 100 мВ/мкл.

Если соединение сделать по-другому, выходное напряжение будет пропорционально объему оставшейся в шприце жидкости.

Этот сигнал можно также использовать для получения сигнала скорости потока. Скорость потока - это, очевидно, первая производная по времени от объема резервуара. Следовательно, значение dEnoJdt, снимаемое с выхода электронной дифференцирующей схемы, на которую подается сигнал положения, пропорционально скорости потока. Для измерения многих физических и технических параметров можно рекомендовать следующий способ: сначала измеряется сигнал, который легко получить, а затем он подается на соответствующую схему обработки. Конечно, прежде чем использовать такие зависимости, необходимо разобраться в математических зависимостях и физических процессах. Вам может понадобиться, например, найти производную, интеграл, векторную сумму, усилить, перемножить или разделить два или несколько сигналов или констант, или обработать всего один сигнал напряжения.

Тензометрические датчики

Тензометр - это резистивный элемент, электрическое сопротивление которого изменяется при механической деформации. Это явление называется пьезоэффектом. Деформация может быть продольной, поперечной или деформацией формы.

В больщинстве применяемых на практике тензометрических датчиков, по крайней мере в тех из них, которые выпускаются промышленностью, используют четыре тензометра, образующих схему моста Уитстона. Прежде чем переходить к дальнейшему обсуждению тензометров, введем некоторые определения и термины. Определим, в частности, такие понятия, как тензометра-ческий коэффициент и коэффициент чувствительности. Обозначаются они через К viW соответственно.

Тензометр вызывает изменение электрического сопротивления цепи, которое соответствует приложенной силе, вызывающей деформацию. Размеры тензометра изменяются: он растягивается или сжимается точно так же, как растягивается или сжимается обследуемый объект. Как вы помните из элементарной физики, электрическое сопротивление провода определяется следующим выражением:

i? = p(LM), (10.28)

12 179

тде р - константа, характеризующая свойства электрической проводимости материала, зависит от типа проводника; L - длина проводника; А - поперечное сечение проводника; R - электрическое сопротивление проводника в омах.

Как следует из формулы (10.28), можно говорить об изменении сопротивления проводника, обусловленном изменением от-кощения LjA под действием сил деформации.

По определению тензометрический коэффициент определяется следующим соотношением:

K = {ARIR)(MIL); (10.29)

иногда это соотношение записывается в следующем виде:

K={ARIR)/e, (10.30)

где е - отношение AL/L, представляющее осевую деформацию.

Чувствительность датчика позволяет нам оценить величину выходного напряжения через возбуждающее напряжение Ei и измеряемый физический параметр. Чувствительность определяется следующим выражением:

WEb,J{EX), (10.31)

где Ч*" - коэффициент чувствительности, В/В/ед. измерения X; Евык - выходное напряжение; Ei - возбуждающее напряжение; X -физический параметр, измеряемый с помощью датчика.

В датчиках, применяемых на практике, более удобна следующая единица измерения коэффициента: мкВ/В/ед. x. Пример. Коэффициент чувствительности датчика давления равен 10 мкВ/В/тор. Чему равно выходное напряжение, если значение приложенного давления составляет 400 тор, а возбуждающее напряжение равно 10 В? Воспользуемся уравнением (10.31):

вых = Д1=10В-400 тор. 10 мкВ/(тор=В) =

= 10.400.10 мкВ = 4.10* мкВ, или 0,04В. (10.32)

Тензометрический коэффициент можно использовать при расчете схемы моста. Для моста, изображенного на рис. 10.7, можно записать

dE,,jdS=[RMRA+Ri)] /Д, (10-33)

где йЕвых - скорость изменения выходного напряжения; dS - скорость изменения сопротивления тензометра А; /; - ток через тензометр Л; К - тензометрический коэффициент.

Тензометры находят применение в датчиках, предназначенных для измерения деформации, силы, нагрузки, крутящего момента, давления, веса, вибрации, расхода жидкости и многих других механических и физических параметров.

В основе работы всех резистивных тензометров лежит описанный выше пьезоэффект, тем не менее в конструктивном от-