Лекции - Физические основы измерений

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

"ВИТЕБСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра АТПП

В.Л.Шушкевич

Краткий курс лекций по “Физическим основам

измерений”

Витебск 2011

Оглавление.

Введение.

Глава 1.

Измерение геометрических размеров, перемещений скорости.

§1. Реостатные преобразователи.

§2. Индуктивные преобразователи.

§3. Трансформаторные преобразователи.

§4. Тензорезисторы.

§6. Емкостные преобразователи.

§7. Индукционные преобразователи.

§8. Пьезоэлектрические преобразователи.

Глава 2.

Измерение параметров потоков энергии.

§1. Тепловые преобразователи.

§2. Оптические преобразователи.

§3. Измерение ионизирующего излучения.

Глава 3.

Измерение физико-механических свойств материалов легкой

промышленности.

§1. Измерение поверхностной плотности.

§2. Измерение звукопроницаемости.

§3. Измерение теплопроводности ткани.

§4. Измерение влажности.

Введение

Согласно ГОСТ под измерением понимается нахождение опытным

путем с помощью технических средств значений физической величины. В

общем случае измерение есть процесс сравнения измеряемой величины с

мерой.

Для измерения неэлектрических величин применяют первичные

измерительные преобразователи, которые преобразуют одну физическую

величину в другую и чаще всего – в электрическую. Измерительное

преобразование представляет собой отражение размера одной физической

величины размерами другой, функционально с ней связанной. Все

измерительные преобразователи работают на известных физических

эффектах и первичные преобразователи выполняют одно частное

измерительное преобразование. Основное требование к измерительным

преобразователям – минимальная потеря информации, т.е. минимальные

погрешности.

Приборы для измерений как электрических, так и неэлектрических

величин конструктивно можно разделить на самостоятельных узла: датчик,

измерительное устройство, регистратор, которые могут размещаться

отдельно друг от друга и соединяться между собой линиями связи.

Датчиком называется конструктивная совокупность ряда

измерительных преобразователей, размещенных непосредственно у объекта

измерения.

Регистратор – измерительное устройство представления информации,

имеет много вариантов исполнения: визуальный, звуковой, регистрирующий

(самописец) и др.

Линия связи возможна как электропроводная, так оптикопроводная,

радиорелейная.

Раздельное конструктивное выполнение датчиков, измерительных

устройств и регистраторов обеспечивает гибкость, взаимозаменяемость,

быстрый ремонт и универсальность электрической аппаратуры.

К параметрам одежды можно отнести такие ее свойства, как:

своевременное удаление из-под одежного пространства влаги, жира, пота,

углекислого газа и т.д. Одежда должна иметь минимальную пылеёмкость и

загрязняемость, должна хорошо и легко очищаться. Эти свойства можно

отнести к физическим свойствам не электрического характера, которые и

могут быть измерены измерительными преобразователями. Ряд других

свойств, которые нельзя оценить техническими устройствами, такие, как

хорошая посадка на фигуре, удобство и др., оцениваются группой экспертов.

Глава 1

Измерения геометрических размеров,

перемещений. скоростей.

В легкой промышленности для контроля за ходом технологического

процесса, контроля качества полуфабриката, норм расхода применяют

датчики линейных и угловых перемещений, скоростей, ускорений (усадка,

вытяжка материалов – большие перемещения, толщина материала или их

покрытия – малые перемещения, порядка мм, мкм).Первичные

преобразователи и датчики на указанные диапазоны, преобразующие

перемещение в электрические сигналы и рассмотрены ниже.

§1. Реостатные преобразователи.

Реостатный преобразователь – прецизионный реостат, движок

которого перемещается под действием измерительной величины. Входной

величиной преобразователя является линейное или угловое перемещение

движка; выходной – изменение его сопротивления.

Устройство преобразования показано на рис.1

рис.1

Он состоит из каркаса 1, на котором намотан провод 2, изготовленный

из материала с высоким удельным сопротивлением, и тока съемного двиэка

3, укрепленного на оси 4. 5 – выводы. Каркас с намоткой может иметь и

переменное сечение (штриховая линия), тогда функция преобразования

R=f(x) (х - перемещение) является нелинейной, или каркас может быть

кольцевой, тогда R=f(α) (α– угловое перемещение).

При перемещении движка вдоль каркаса на величину шага обмотки

∆x=λ сопротивление изменяется на ∆R=(dR/dx)λ, где dR/dx – производная

требуемой функции преобразования R=f(x) по перемещению движка. При

перемещении движка с одного витка на другой сопротивление изменяется на

величину, равную сопротивлению одного витка.

Потенциометрическая схема включения преобразователя показана на

рис.2

Если сопротивление нагрузки R

велико (R

>>R

), что током в нем

можно пренебречь по сравнению с током в R

, то рассмотренный

преобразователь работает в режиме холостого хода и напряжение на нагрузке

=UR/R

пропорционально сопротивлению R.

Если преобразователь имеет пропорциональную функцию

преобразования R=(R

/ℓ)x, то напряжение U

пропорционально

перемещению движка

=(U/ℓ)x, (ℓ - перемещение)

Для анализа цепи с нагрузкой R

соизмеримой с R

можно

воспользоваться теоремой об активном двухполюснике. Тогда

 

 

   









 11/1

RpRhRRpRRp

где β=R/R

– относительное изменение сопротивления

преобразователя; α=R

– коэффициент нагрузки. Зависимость UH от β для

различных α приведена на рис.3.

рис.3

Rн

Uн

Для холостого хода U

– прямая линия. Тогда погрешность

∆U=U

-U

. Для уменьшения погрешности следует увеличить R

С изменением температуры изменяется сопротивления преобразователя

по формуле

(1+αt),

где α – температурный коэффициент сопротивления;

– сопротивление при t=0

С.

В режиме холостого хода температура не вызовет погрешность, а при

≈R

– скажется температура.

Реостатному проволочному преобразователю присуща погрешность

дискретными, т.е. скачкообразными изменениями сопротивления на ∆R при

переходе движка с одного витка на другой. Тогда максимальное значение

приведенной погрешности

=±∆R/2R

Если ∆R равны по всему диапазону, то

=n∆R

=±1/2n

где n – число витков в обмотке.

В практике применения корпус реостата крепится неподвижно, а

движок – к измеряемой перемещение величине.

Длина перемещения x равна длине реостата ℓ и может иметь несколько

десятков сантиметров.

§2. Индуктивные преобразователи.

Типы индуктивных преобразователей изображены на рис.4

а)

б)

рис.4

Рабочее перемещение подвижного якоря (зазора б) в схеме а) равно

0,01 – 10м, в схеме в) -5 -20мм. Схема в) имеет катушку, внутри которой

помещен стальной сердечник. Перемещение сердечника вызывает изменение

индуктивности катушки. Длина перемещения составляет 10 – 2000 мм.

Функция преобразования преобразователя получена на примере

схемы а).

Индуктивность катушки

L=nФ/I (1)

где n – число витков;

Ф – магнитный поток;

I – ток катушки.

Из закона полного тока I

=Hℓ/n (2).

Подставляя в (1) получим

L=n

где R

=Hℓ/Ф – магнитное сопротивление преобразователя.

Если пренебречь рассеянием магнитного потока, и кривой

намагничивания стали, то для схемы а)

СТ

+К

=ℓ

СТ

+2δ/M

где R

СТ

– магнитное сопротивление стальных участков

магнитопровода:

ст

– длина средней силовой линии по стальному участку;

S –поперечное сечение магнитопровода;

µ - магнитная проницаемость стали;

= 4 π · 10

-7

Гн/м – магнитная постоянная;

– магнитное сопротивление воздушного зазора, имеющего длину δ и

сечение S.

Будем считать S

ст

= S, тогда:

L=µ

· S · n²/(2 δ+ l

ст

/ µ).

Если пренебречь активным сопротивлением, то полное сопротивление

Z равно:

Z= j · ω · L= j ·ω ·n² · µ

· S/(2 δ+ l

ст

/ µ) ≈ j·ω·n²·µ

·S/2·δ

В последнем равенстве из-за того, что 2·δ>>l

ст

/µ, lст/µ - пренебрегли.

Чувствительность S= lim=(Δ Z/ Z) / Δ δ=(1/ Z)(d · Z/ d · δ)

Δ δ→0

в)

Таким образом S=-2/(2 δ+ lст/µ) ≈ 1/ δ

Описанные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков:

функция преобразования нелинейная, влияние температуры на активное

сопротивление, сила притяжения якоря.

Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи. Они

состоят из 2-х одинарных преобразователей, которые имеют общий

подвижный элемент. (рис. 5). При перемещении якоря одна индуктивность

возрастает, другая – уменьшается. Включаются L

и L

в дифференциальные

цепи (рис. 6). В результате погрешность и возрастает в2 раза

чувствительность.

рис.5

L1 L2

Rн

Uвых

рис.6

, и Z

– полные сопротивления секций дифференциальных

индуктивных преобразователей. Сопротивление других плеч могут быть как

активными, так и реактивными. Источник питания U и Rн могут меняться

местами.

Мосты обычно проектируются так, что напряжение на измерительной

диагонали отсутствует, если его якорь находится в среднем положении. При

этом сопротивление плеч Z

и Z

равны между собой и их значение

принимаем за Z

. При перемещении якоря сопротивление одной секции

становится равным Z

= Z

+ΔZ

, а другой Z

-∆Z

. При малых

перемещениях якоря изменения сопротивления линейно зависит от

перемещения, и ΔZ

= ΔZ

= ΔZ.

Разбаланс моста пропорционален изменению ΔZ двух плеч, т.е.

возрастает в 2 раза.

Чувствительность схемы: S=U

вых

/ (Δ Z/ Z

вых

комплексная величина. Ее аргумент определяет фазовый сдвиг

напряжения относительно напряжения питания.

При изменении знака ΔZ с плюса на минус также изменяется знак

напряжения U

вых

. для переменного напряжения это соответствует изменению

его фазы на 180º.

Погрешности индуктивных преобразователей определяются влиянием

температуры на активную составляющую полного сопротивления

индуктивности и на магнитную составляющую стали. Амплитуда

напряжения питания скажется на магнитной проницаемости стали, а частота

– на сопротивление резисторов. Частично эти погрешности можно

уменьшить схемными решениями: стабилизация источника питания,

фазочувствительный выпрямитель и др.

§3. Трансформаторные преобразователи.

Трансформаторный преобразователь представляет собой

трансформатор, у которого под влиянием входного сигнала (механическая

сила) перемещается подвижный якорь или сердечник и изменяется взаимная

индуктивность, что приводит к изменению вторичного, выходного

напряжения.

Преобразователи с изменяющимся магнитным сопротивлением

конструктивно аналогичны индуктивным и отличаются тем, что имеют две

обмотки.

На рис. 7 изображен дифференциальный трансформаторный

преобразователь. Он содержит 2 одинарных преобразователя с общим

подвижным якорем. Одинарный выделен пунктиром.

рис.7

Рассмотрим механизм работы. Ток I

в катушке n

создает магнитный

поток, который замыкается через магнитопровод и индуцирует ЭДС в n

Вт-

амплитудная индукция

= ω n

S Вт sinω t, где

ω n

S Вт – амплитудная ЭДС ε

;

sinω t – закон изменения ЭДС.