Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 7.5 Емкостной акселерометр с дифференциальным выходом: А –

поперечное сечение датчика; Б – вид сверху на инерционную массу,

поддерживаемую кремниевыми перемычками.

Элементы конструкции таких датчиков изготавливаются методами

микротехнологий на кремниевой подложке.

Рис. 7.6 Пьезоэлектрический акселерометр.

В качестве чувствительного элемента таких датчиков наиболее широко

используется пьезокерамика. Пьезоэлемент располагается между корпусом

датчика и инерционной массой, на которую действует сила инерции.

Пьезоэлектрические микродатчики ускорения чаще всего реализуют на

кремнии. Так как кремний не обладает пьезоэлектрическими свойствами, при

формировании интегрированного преобразователя на кремниевую

консольную балку наносится тонкая пленка из

пьезоматериала. Для

улучшения частотных характеристик сигнал усиливается при помощи

преобразователя заряд-напряжение, встроенных в датчик.

7.3 Пьезорезистивные акселерометры

Чувствительным элементом таких датчиков является тензодатчик,

измеряющий деформацию пружины, удерживающей инерционную массу.

Такие устройства способны измерять ускорение в частотном диапазоне до

десятков килогерц и выдерживать перегрузку до 1000g.

Рис. 7.7 Устройство пьезорезистивного акселерометра.

Когда ускорение действует на чувствительную ось, инерционная масса

поворачивается вокруг подвеса. При этом один из тензодатчиков испытывает

сжатие, а второй – растяжение.

7.4 Тепловой акселерометр

Рис. 7.8 Тепловой акселерометр:

А – поперечное сечение нагреваемой части преобразователя,

Б – устройство датчика.

Для измерения температуры на балке формируется детектор

температуры, в качестве которого могут выступать интегрированные в балку

диоды или нанесенные ее поверхность термопары. Измеренная этими

датчиками температура и преобразованная в электрический сигнал и

является мерой ускорения. Чувствительность таких датчиков ниже чем у

рассмотренных выше, но они менее подвержены влиянию температурных

изменений

окружающей среды, электромагнитных и других помех.

Рис. 7.9 Измерение параметров механических колебаний с помощью

преобразователей микроперемещений.

Устройство для измерения параметров шума и вибрации

Прибор ВШВ-003-М3 является малогабаритным, портативным

измерительным прибором и предназначен для измерения и анализа шума и

вибрации в жилых помещениях, производственных и полевых условиях и

используется для определения источников и характеристик шума и вибрации

в местах нахождения людей, при исследованиях и испытаниях машин и

механизмов, при разработке и контроле качества

изделий.

Прибор имеет встроенные фильтры с частотными характеристиками А,

В, С, а также полосовые фильтры: октавные и третьоктавные, позволяющие

проводить классификацию, измерение и определение нормируемых

параметров и характеристик шума и вибрации в соответствии с требованиями

санитарных норм и стандартов безопасности труда.

Прибор укомплектован пьезоэлектрическими виброизмерительными

преобразователями ДН-3-М1 и ДН

-4-М1, имеющими коэффициент

преобразования соответственно

−

⋅⋅ ìñìÂ

−

⋅⋅ ìñìÂ

и конденсаторным

микрофоном с капсюлем М-101, имеющим чувствительность 50 мВ/Па.

1. Полоса частот, Гц:

измерения параметров вибрации

уровня звукового давления по характеристике ЛИН

1...10000

2...18000

2. Частотные характеристики

А, В, С, ЛИН

3. Динамический диапазон измерения параметров:

виброускорения, м/с

виброскорость, мм/с

уровня звука, дБ отн. 2*10

-5

Па

3*10

-3

...10

3*10

-2

...5*10

22...140

4. Основная погрешность измерения:

параметров вибрации, %

шума (класс точности)

±10

5. Потребляемая мощность, ВА:

при питании от сети

при питании от батарей

1,2

6. Фильтры октавные со средними геометрическими частотами, Гц

от 1 до 16000

7. Фильтры третьоктавные со средними геометрическими

от 2,0 до 16000

частотами, Гц

8. Масса ВШВ-003 М3 с принадлежностями не более, кг

6,0

Виброметр ВВМ-311

Портативный прибор с цифровым индикатором предназначен для

измерения параметров вибрации (виброускорение, виброскорость,

виброперемещение) работающего оборудования, машин и других объектов в

лабораторных и производственных условиях.

Виброметр ВВМ-311 укомплектован виброизмерительными

преобразователями ДН-3-М1 и ДН-4-М1. Прибор имеет встроенные фильтры

ФВЧ и ФНЧ с частотами среза 10 и 1000 Гц соответственно, для измерений

согласно

ISO 2954, а также возможность подключения внешних фильтров.

1. Диапазон измерения: виброускорения, м/с

виброскорости, мм/с

виброперемещения, мкм

0,1 - 1 000

0,25 - 100

1 - 1 000

2. Диапазон частот измерения: виброускорения, Гц

виброскорости и виброперемещения, Гц

2 - 10 000

2 - 1 000

3. Предел основной относительной погрешности измерения, %:

виброускорения в диапазоне частот от 2,8 до 7 000 Гц

виброскорости и виброперемещения в диапазоне частот от 2,8 до

700 Гц

±10

5. Предел основной относительной погрешности измерения на

базовой частоте 159,1 Гц, %

±6

6. Мощность потребляемая прибором при питании от 12 элементов

А332, не более, ВА

0,42

7. Габаритные размеры виброметра, мм

Масса виброметра, не более, кг

232x65x255

1,8

Виброметр ВВМ-201

Портативный прибор с цифровой индикацией предназначен для

измерения параметров вибрации (виброускорение, виброскорость) в

широком диапазоне частот от 2 до 4000 Гц работающего оборудования,

машин и других объектов в лабораторных и производственных условиях в

различных отраслях промышленности.

Прибор комплектуется пьезоэлектрическим вибропреобразователем ДН-

3-М1. Имеется выход для подключения внешних устройств.

1. Диапазон измерения средних квадратических значений:

виброускорения (в частотном диапазоне 2...4000 Гц), м/с2

виброскорости (в частотном диапазоне 2...2800 Гц) мм/с

0,1...1000

0,5...1000

2. Основные относительные погрешности измерений,%

виброускорения в диапазонах частот 2...10, 10...1000, 1000...4000

Гц

виброскорости в диапазонах частот 2...10, 10...1000, 1000...2800 Гц

±15, ±10, ±15,

соответственно

3. Питание прибора осуществляется от химических источников

тока (А332-12 эл.), номинальное напряжение, В

8,3

4. Потребляемая мощность, мВА 180

5. Масса, кг

1,7

Преобразователи пьезоэлектрические виброизмерительные

Вибропреобразователи ДН-3-М1, ДН-4-М1 предназначены для

преобразования механических колебаний в электрические сигналы,

пропорциональные ускорению колеблющегося объекта.

Вибропреобразователи используются совместно с виброизмерительными

устройствами для измерения параметров вибрации в заводских и

лабораторных условиях в различных отраслях народного хозяйства.

Наименование параметра ДН-3-М1 ДН-4-М1

1. Рабочий диапазон частот, Гц

до 4800 до12600

2. Действительное значение коэффициента

преобразования вибропреобразователя на частоте

160 Гц, мВ*с

*м

-1

10±0,6 1±0,06

3. Относительный коэффициент поперечного

преобразования, %

4 4

4. Средний срок службы, не менее, лет

10 10

5. Габаритные размеры, мм

20x25x30 20x20x14

6. Масса, не более, кг 0,05 0,013

7. Рабочий диапазон температур,

-30...+70 -30...+70

Капсюль микрофонный конденсаторный М-101

Предназначен для использования в шумоизмерительной аппаратуре в

качестве измерительного преобразователя звукового давления. Звуковые

колебания мембраны преобразуются в переменное напряжение,

пропорциональное воздействующему на капсюль звуковому давлению.

1. Частотный диапазон, Гц

2...20000

2. Максимальный уровень измеряемого звукового давления, дБ

относительно 2*10

-5

Па, не менее

144

3. Нормальный уровень чувствительности капсюля, дБ,

относительно 1 В*Па

-1

(мВ/Па)

минус 26±2 (39,8-

63,1)

4. Максимальное отклонение уровня чувствительности

в номинальном диапазоне частот по свободному полю от уровня

чувствительности на частоте (300+15) Гц в диапазонах частот:

(2...18000) Гц, дБ, не более

(18000...20000) Гц, дБ, не более

±2

+2...-5

5. Габаритные размеры, мм

d23x77x19

6. Масса, кг

0,031

7.5 Гироскопы

Гироскоп («хранитель направления») является важным навигационным

датчиком. Во многих случаях, когда геомагнитное поле отсутствует (в

космосе), или ослаблено, гироскоп является необходимым устройством для

определения положения транспортных средств. Принцип действия гироскопа

основан на фундаментальном законе сохранения угловых моментов:

«В произвольной замкнутой системе (в которой отсутствуют внешние силы)

сумма угловых моментов всех

ее частей относительно любой неподвижной

точки пространства всегда остается постоянной».

Гироскопы

Гироскоп — устройство, предназначенное для измерения углов

ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы

координат. Гироскопом называют быстро вращающееся тело, ось вращения

которого может изменять свое направление в пространстве.

Рис. Схема 3-степенного механического гироскопа в карданном подвесе

Основное свойство гироскопа — способность сохранять в пространстве

неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на неё

моментов внешних сил.

По принципу действия гироскопы подразделяются на механические и

оптические. По режиму работы - на датчики угловой скорости и указатели

направления.

Свойства роторного

гироскопа

При воздействии по оси чувствительности момента внешней силы,

стремящейся изменить направленность в пространстве оси собственного

вращения, ось гироскопа начинает отклоняться не по оси действия момента, а

по перпендикулярной ей. В результате гироскоп вращается вокруг

измерительной оси, перпендикулярной направлению вектора приложенного

момента (явление прецессии).

Данное свойство связано с возникновением

кориолисовой силы. Так, при

воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться

именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок).

Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной

угловой скоростью вращения из-за момента. Но роторный гироскоп, помимо

этого, и сам вращается, значит, каждая частица будет иметь относительную

скорость. Следовательно

, возникнет кориолисова сила, которая будет

заставлять гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту

направлению, то есть прецессировать. Прецессия вызовет кориолисову силу,

момент которой скомпенсирует момент внешней силы.

Гироскопический эффект вращающихся тел есть проявление основного

свойства материи — её инертности.

Упрощённо, поведение гироскопа описывается уравнением:

где векторы

и являются, соответственно, моментом силы, действующей

на гироскоп, и его моментом импульса, скаляр

— его моментом инерции,

векторы

и угловой скоростью и угловым ускорением.

Отсюда следует, что момент силы

, приложенный перпендикулярно

оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный

, приводит к

движению, перпендикулярному как

, так и , то есть к явлению прецессии.

Угловая скорость прецессии

гироскопа определяется его моментом

импульса и моментом приложенной силы:

то есть

обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа.

Применение гироскопов в технике

Свойства гироскопа используются в приборах — гироскопах, основной

частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет

несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Чаще всего используются гироскопы, размещённые в карданном

(кардановом) подвесе (см. рис.). Такие гироскопы имеют 3 степени свободы,

то есть

он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АA', BB' и

CC', пересекающихся в центре подвеса О, который остаётся по отношению к

основанию A неподвижным.

Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O,

называются астатическими, в противном случае — тяжёлыми гироскопами.

Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью

применяются специальные гиромоторы.

Для управления гироскопом и снятия с него информации используются

датчики угла и датчики момента.

Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации

(авиагоризонт, гирокомпас, ИНС и т. п.), так и в нереактивных системах

ориентации и стабилизации космических аппаратов.

Новые типы гироскопов

Постоянно растущие требования к точностным и

эксплутационным

характеристикам гироприборов заставили ученых и инженеров многих стран

мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся

ротором, но и искать принципиально новые идеи, позволившие решить

проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения

параметров углового движения объекта.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических

принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. К

настоящему времени выданы тысячи патентов и авторских свидетельств

на соответствующие открытия и изобретения.

Поскольку прецизионные гироскопы использовались в системах

наведения стратегических ракет большой дальности во время «холодной

войны» информация об исследованиях, проводимых

в этой области,

классифицировалась как секретная.

Перспективным является направление развития квантовых гироскопов,

которые отличаются повышенной точностью.

Сегодня созданы настолько точные гироскопические системы, что

дальнейшего повышения точности многим потребителям уже не требуется, а

сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в

бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским

применениям

гироскопической техники, которые были ранее на периферии

внимания разработчиков. Например, использование микромеханических

гироскопов для систем стабилизации движения автомобилей или

видеокамер.

В то же время выдающийся прогресс в области высокоточной

спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, по мнению сторонников этих

методов навигации, сделал ненужными автономные средства навигации в

тех случаях, когда сигнал со

спутника может приниматься непрерывно.

Дело в том, говорят они, что разрабатываемая сейчас система навигационных

спутников третьего поколения позволит определять координаты объектов на

поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров. При этом отпадает

необходимость в использовании даже курсовых гироскопов, ибо сравнение

показаний двух приемников спутниковых сигналов, установленных на

расстоянии в несколько

метров, например, на крыльях самолета, позволяет

получить информацию о повороте самолета вокруг вертикальной оси.

Однако системы GPS оказываются неспособны точно определять

положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Такие

же проблемы обнаруживаются в лесистой местности. Даже в самолётах GPS,

хотя и оказывается точнее акселерометров на длинных участках, даёт

большие погрешности как

при измерении углов посредством использования

2 GPS-приёмников (иногда даже градусы), так и при подсчёте курса путём

определения скорости самолёта (погрешность на угол скольжения). Поэтому

в навигационных системах оптимальным решением, по крайне мере сейчас,

является комбинация гироскопической системы и GPS.

В силу перечисленных обстоятельств эволюционное развитие

гироскопической техники за последние десятилетия подступило

к порогу

качественных изменений и, именно поэтому, внимание специалистов в

области гироскопии сосредоточилось сейчас на поиске нестандартных

применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные

задачи. Это и разведка полезных ископаемых, и предсказание землетрясений,