Измерительные устройства

Электрические и механоэлектрические

Электрические методы измерения основаны на измерении электрических потенциалов или их разности, силы тока или электрического сопротивления. К электрическим методикам относят измерения биотоков нервов и мышц (электроэнцефалография, электрореография, электромиография, электрокардиография), измерение электрических потенциалов или температуры тех или иных точек объекта (электропотенциометрия, электротермометрия), измерение электрического сопротивления кожи (так называемое электрокожное или транскожное (черезкожное) сопротивление — ЭКС, ЧКС).

Широко применяются и электрические методы, которые можно назвать механоэлектрическими, где основа — электрический метод, но измеряемый фактор сначала воспринимается и преобразуется механическим устройством, а уж это устройство вносит изменения в электрическую часть измерительной системы. Примером может служить электрогониометр (см. рис.4.5,б), в котором соосно шарниру, соединяющему бранши, крепится корпусом к бранше (1) и поводком подвижного контакта к бранше (2) круговой потенциометр (или реостат). Изменение угла между браншами пропорционально изменяет ту часть сопротивления потенциометра, с которой снимается напряжение, поэтому изменение сигнала с потенциометра пропорционально изменению суставного угла. Принципиальные схемы потенциометра и реостата показаны соответственно на рис.4.5,в и г.

Принцип работы реостата — изменение расположения подвижного контакта на сопротивлении (проволочном, угольном) меняет длину его рабочей части, а потому и силу проходящего через него тока, который измеряется амперметром (А). Принцип работы потенциометра: на контакты постоянного сопротивления подается напряжение (V_о). С одного из этих контактов и с подвижного контакта снимается часть этого напряжения, измеряемая вольтметром (V).

Потенциометр или реостат могут входить в конструкцию пружинных динамометров: подвижный конец деформируемой пружины соединяется с подвижным контактом потенциометра (реостата).

Другой распространенный механоэлектрический метод — тензометрия. Тензосопротивление (тензорезистор) — это проводник, существенно меняющий свое электрическое сопротивление при растягивании. Так механическая деформация тензорезистора преобразуется в изменение силы проходящего через него электрического тока. Наиболее распространено проволочное тензосопротивление (тензорезистор): сложенная в плоскую гармошку очень тонкая проволочка из сплава, сильно реагирующего на растягивание изменением электрического сопротивления (рис.4.6,б). В несколько растянутом состоянии она с обеих сторон приклеена к плотным бумажным или пластмассовым прямоугольничкам (размеры тензосопротивления обычно от нескольких до 10–20 мм. Оба конца проволочки выведены наружу. Тензосопротивление (тензорезистор) наклеивают на упругий, деформируемый измеряемым фактором конструктивный элемент — балочку, стойку, кольцо (рис.4.6,в). Особый вид балки — консоль. Упругий конструктивный элемент с наклеенными на него тензосопротивлениями называют силоизмерительным элементом.

При деформации упругого элемента под действием измеряемого фактора приклеенные к нему тензосопротивления удлиняются или укорачиваются, в зависимости от того, где они приклеены, соответственно меняя свое электрическое сопротивление. Тензорезисторы, если их 4, соединяют по схеме моста сопротивлений (рис.4.7,а), если их 2 — по схеме полумоста (рис.4.7,б).

₂

s 2 m k₁

G

1 4 mV 1 4

3 3

p n k₂ p

а б в

Рис.4.7. а — мост тензосопротивлений; б — полумост тензосопротивлений, в — дополняющий полумост тензоусилителя (— — переменные «подстроечные» сопротивления).

Каждый из фрагментов sm, mn, np, ps моста называют его плечом, sn — его питающая диагональ, на которую подается разность электрических потенциалов (напряжение) от источника тока (G); mp — измерительная диагональ, в которую через клеммы k₁ и k₂ включен милливольтметр (mV). Поскольку для одного моста подбирают тензорезисторы с практически одинаковым сопротивлением, сила тока в ветвях smn и spn одинакова, так что падение напряжения в каждом плече моста тоже одинаковое. Поэтому разность потенциалов между точками m и p (измерительная диагональ) равна 0. Такое электрическое состояние называют балансом моста. Но если из-за деформации упругого элемента тензосопротивления 1 и 4 растягиваются (их электрическое сопротивление возрастает), а 2 и 3 укорачиваются (сопротивление уменьшается), происходит разбалансировка моста: на плечах sр и mn падение напряжения больше, чем на плечах sm и рn, и между точками m и p возникает разность потенциалов, определяемая вольтметром как амплитуда сигнала, снимаемого с моста.

Так работает тензомост, образуемый 4 тензосопротивлениями. Если тензосопротивлений только 2, они могут образовать полумост, который нужно дополнить до моста, добавив недостающие 2 плеча (рис.4.7,в). Такое дополняющее устройство имеется во многих тензоусилителях: это регулируемые («подстроечные») сопротивления, их величина устанавливается равной сопротивления тензорезисторов измерительного полумоста. Сигналы с тензомоста обычно слабы и требуют усиления. Однако использование обычного усилителя не решает всех задач, нужен тензоусилитель. Его функции таковы.

1. Как уже было сказано, если у нас полумост, тензоусилитель позволяет «дополнить» его до моста.

2. Тензоусилитель позволяет усилить сигнал в нужной степени, т.е. настолько, чтобы можно было удовлетворительно его преобразовывать и регистрировать.

3.Тензоусилитель обеспечивает питание моста, т.е. подачу нужного напряжения на питающую диагональ.

4. В тензоусилителе обычно есть милливольметр, показывающий текущее значение разности потенциалов на измерительной диагонали.

5. Тензоусилитель позволяет балансировать мост. Это значит, что можно при любом значении сигнала с тензомоста свести разность потенциалов на измерительной диагонали к нулю, удобно обозначив тем самым нужную нам точку отсчета. В частности, так ликвидируется дисбаланс моста, появляющийся со временем из-за остаточной деформации силоизмерительных элементов.

Тензоусилители обычно многоканальные (3, 8, 10, 20 каналов). Каждый канал может обеспечить работу с одним тензомостом.

Тензосопротивления можно наклеивать как на элементы измерительной установки, так и на упругие элементы спортивных снарядов, инвентаря, установок и устройств, подвергающихся деформирующим воздействиям измеряемого фактора (на гриф или стойку гимнастической перекладины, на стойку или лезвие конька, на лыжную палку, клюшку, на элементы любых нагружаемых конструкций).

Большое распространение в спорте получили тензодинамометрические (тензодинамографические) платформы, часто называемые просто тензоплатформами. Они бывают 1-, 2- и 3-канальные. Обычно по одному каналу измеряется воздействие на платформу силы, перпендикулярной ее рабочей площадке, по 2 другим каналам — воздействие взаимно перпендикулярных сил, направленных в плоскости рабочей площадки платформы.

Нередко тензодинамографические платформы (тензоплатформы) могут выполнять еще одну функцию — функцию стабилографа, техническое отличие которого от тензоплатформы только в схеме соединения тензорезисторов в мост. Чтобы перейти от функции тензоплатформы к функции стабилографа, нужно лишь соединить тензорезисторы по другой схеме. При этом нетрудно одни и те же тензорезисторы заранее соединить сразу по 2 различным мостовым схемам, и переход от работы одного моста к работе другого осуществлять переключателем. Стабилограф фиксирует текущее значение момента силы реакции опоры испытуемого, стоящего на рабочей площадке, относительно выбранной (балансированием моста) оси. Поэтому с помощью стабилографа можно изучать устойчивость тела человека.

Тензосопротивления бывают не только проволочные, но также фольговые и полупроводниковые (гедисторы). Они дают более мощный сигнал, позволяя нередко обходиться без его усиления. Особенно эффективны гедисторы. Однако они хрупки, легко ломаются при непосредственных механических воздействиях, и их намного труднее приклеить. Если тензосопротивления плохо приклеены, их длина при деформации упругого элемента не меняется вообще или меняется меньше, чем следует, а значит и сигнала либо вообще не будет, либо он будет с непредсказуемой ошибкой.

Поскольку силоизмерительные элементы (упругие конструктивные элементы с наклеенными тензосопротивлениями) деформируются под действием не только активных сил, но и под действием сил инерции, их используют для измерения ускорений — в акселерометрических датчиках (acceleration — ускорение). Устройства такого акселерометра несложно. К стенке его корпуса — миниатюрной коробочки — одним концом прикреплен стерженек или узкая пластинка, на свободном конце которого (которой) закреплен грузик, а посередине наклеены тензосопротивления (рис.4.8). При ускорении корпуса акселерометрического датчика грузик «отстает», сила инерции изгибает стерженек (пластинку), эта деформация вызывает изменение длины тензосопротивлений (растягивая одни и укорачивая другие), и возникает сигнал, пропорциональный ускорению.

тензорезисторы

грузик

упругий корпус

^{элемент}

Рис.4.8. Тензоакселерометр (принципиальная схема.

Часто акселерометры тарируют в g (ускорение свободного падения g @ 9,8 м/с²). Для этого, положив датчик на горизонтальную поверхность, измеряют сигнал с тензорезисторов (результат действия на упругий элемент силы тяжести грузика), затем кладут датчик на противоположную грань и снова измеряют сигнал. Нетрудно понять, что разность в показаниях соответствует 2g. При такой градуировке об ускорении говорят как о перегрузке: «перегрузка 3 g», «перегрузка 7,4 g» и т.д. Более точные акселерометры градуируют м/с².

Тензорезисторы используют и для регистрации самого по себе факта воздействия на силоизмерительный элемент, и чтобы измерить перемещение или скорость, для чего отмечают на временной шкале каждое из происходящих через малые промежутки времени воздействий. Обычно используют устройство, включающее в себя упругую пластину с наклеенными тензорезисторами. Воздействие на нее в форме нажатия или короткого толчка вызывает появление сигнала — обычно в виде маленького узкого «зубца». Если расстояние между любыми 2 соседними «зубцами» соответствует одному и тому же известному перемещению контрольной точки объекта, количество толчков показывает длину пути, их частота — скорость.

Дата добавления: 2015-04-30