Струнные и стержневые преобразователи

Струнные и стержневые (вибрационно-частотные) преобразователи явля­ются разновидностью частотных пре­образователей с механическим резона­тором.

В этих преобразователях чувстви­тельным элементом служит плоская или круглая струна — струнные пре­образователи, или балочка прямо­угольного сечения, изготовленная за одно целое с упругим элементом, — стержневые преобразователи.

Работа струнных механических ре­зонаторов основана на использовании изменения частоты поперечных коле­баний струны в зависимости от ее натя­жения. Связь частоты поперечных ко­лебаний струны с величиной нормаль­ных механических напряжений в ней определяется известной зависимостью

где — частота собственных колеба­ний струны;

— длина струны;

— механические напряжения в струне;

— плотность материала струны.

Эту зависимость следует рассма­тривать лишь как первое приближе­ние, так как она не учитывает изгибной жесткости струны и влияния заделки.

Естественной входной величиной струны и стержневых преобразовате­лей является сила, причем в подавля­ющем большинстве случаев струна ра­ботает в режиме вынужденных дефор­маций. Для осуществления такого ре­жима нужно, чтобы жесткость упруго­го элемента и всей механической цепи, замкнутой на струну, была бы значи­тельно выше жесткости струны. При выполнении этого условия струна осу­ществляет два последовательных пре­образования: силы в деформацию и де­формации в частоту.

Стабильность функции преобра­зования струнного резонатора в пер­вую очередь определяется качеством крепления предварительно натянутой струны к упругому элементу. На сего­дня лучшим способом крепления лен­точных струн (рис. 2.22), (а именно такие струны используются в совре­менных датчиках), является зажим ме­жду хорошо обработанными и подо­гнанными параллельными плоскостя­ми.

Рис.2.22. Струна и ее крепление к упругому элементу:

1 – струна; 2 – винт; 3 – прижимная планка; 4 – упор упругого элемента.

Струна 1 в месте закрепления пе­реходит в широкую лопаточку, которая закрепляется на плоскости упора 2 с помощью прижимной планки 3 и двух винтов 2 [32].

Струнные резонаторы с одной струной имеют нелинейность функ­ции преобразования порядка 3...5 % на 10 % девиации частоты и су­щественную температурную погреш­ность. В дифференциальных струн­ных преобразователях эти недостат­ки теоретически можно свести к ну­лю. Конструкция упругого элемента дифференциального преобразователя предусматривает крепление одинако­вых струн, причем под воздействием деформации частота собственных ко­лебаний одной струны увеличивается, а частота другой уменьшается.

В качестве примера на рис. 2.23 приведен мембранный упругий эле­мент датчика силы [32] с двумя струна­ми. Упругий элемент выполнен в виде круглой мембраны 1, двух верхних 2 и двух нижних б упоров 3, на которых закреплены пружинными планками 5 и винтами предварительно натянутые одинаковые стальные струны 3.

Струны расположены взаимно перпендикулярно друг другу, что по­зволяет уменьшить погрешность при приложении усилия под углом к оси преобразователя. Через стержень из­меряемое усилие F передается на упругий элемент, при этом мембрана прогибается, в результате чего верх­ние и нижние упоры разворачиваются. Натяжение верхней струны уменьша­ется, а натяжение нижней увеличива­ется, что вызывает изменение частоты собственных колебаний струн на одно и то же значение, но с разными знака­ми.

Рис. 2. 23. Мембранный упругий элемент датчика силы

Как уже говорилось, стабильность характеристик струнного резонатора в первую очередь определяется каче­ством крепления струны. Кардиналь­ное решение проблемы крепления, сво­дящееся к отказу от всякого крепле­ния как такового, предложено Л.Г. Эткиным [33]. Роль резонатора в этих конструкциях выполняет вместо стру­ны тонкая (доли миллиметра) стальная пластинка, изготовленная за одно целое с упругим элементом из одной заготовки (рис. 2.24).

Начальное напряжение в такой конструкции отсутствует и началь­ная частота целиком определяется упругими свойствами пластинки. Под действием приложенной силы упру­гий элемент деформируется и пла­стина растягивается, при этом повы­шается частота собственных колеба­ний. Датчики с такими преобразова­телями известны как стержневые или вибрационно-частотные.

Рис. 2.24. Упругая перемычка стержневого резонатора: 1- перемычка; 2 – упор упругого элемента; 3 – мембрана упругого элемента.

Несколько конструкций упругих элементов стержневых датчиков [34] представлено на рис. 2.25. Кольцевые упругие элементы предназначены для датчиков силы и давления, а упругий элемент мембранной конструкции ис­пользуется только в датчиках давле­ния.

Рис. 2.25. Конструкция упругих элементов стержневых датчиков:

1 – упругий элемент; 2 – перемычка; 3 – отверстия, обеспечивающие пониженную жесткость в направлении поперечных составляющих измеряемого усилия; 4 –жесткий стержень; 5 – отверстие под усилитель; 6 – гофрированная мембрана; 7 – стойка упругой перемычки; 8 – корпус преобразователя.

Датчики со стержневыми преобра­зователями в настоящее время при­меняются как высокоточные измери­тели статических и медленноменяющихся давлений, усилий и крутящих моментов. Упругие элементы серий­ных датчиков изготавливаются из ста­ли 35ХГСА, колеблющиеся перемыч­ки имеют начальную частоту 3000 и 6000 Гц при девиации частоты в пре­делах 25...30 %.

Механические резонаторы как правило используются в частотных датчиках в режиме свободных колеба­ний или в автоколебательном режиме. Возбуждение колебаний в резонато­рах осуществляется двумя методами: электромагнитным, при котором про­исходит взаимодействие струны или перемычки из ферромагнитной стали и переменного магнитного потока, со­здаваемого электромагнитным возбу­дителем; электродинамическим, при котором происходит взаимодействие переменного тока, протекающего через струну из диамагнитного материала, и магнитного потока постоянного маг­нита. Электромагнитное возбуждение получило больше распространение тем более, что для стержневых преобразо­вателей это единственный способ, так как нельзя электрически изолировать перемычку от упругого элемента.

Одна из возможных конструкций электромагнитных возбудителей пока­зана на рис. 2.26. Возбудитель распо­ложен с зазороммм от струны или перемычки 1 и состоит из постоян­ного магнита 2, катушки 3 и магнитопровода 4. При прохождении электри­ческого импульса запроса по катушке магнитное поле увеличивается и стру­на притягивается к магниту. По окон­чании импульса запроса струна начи­нается колебаться с частотой собствен­ных колебаний.

Структурная схема частотного преобразователя с резонатором, рабо­тающим в режиме свободных колеба­ний, дана на рис. 2.27. Измеряемая ве­личинапреобразуется упругим элементом в деформацию, от которой зависит частота собственных колеба­ний механического резонатора. Ко­лебания в резонаторе возбуждаются с помощью возбудителя, на вход которого подается импульс запроса от измерительного устройства. Для пре­образования энергии возбужденных механических колебаний резонатора в электрическую энергию использу­ется специальный электромагнитный или индуктивный преобразователь-приемник. Сигнал с выхода приемника в виде затухающих колебаний усили­вается и поступает на выход частотно­го преобразователя.

В ряде случаев один и тот же элек­тромеханический преобразователь, на­пример электромагнитный преобразо­ватель на рис. 2.26, используется в обратимом режиме в качестве возбуди­теля и приемника. Тогда для связи с датчиком достаточно двухпроводной линии.

Частотные преобразователи с ме­ханическим резонатором, работающим в автоколебательном режиме, строят­ся по структурной схеме, представлен­ной на рис. 2.28. Резонатор получает энергию от возбудителя, на вход кото­рого поступает сигнал с выхода усили­теля. Вход усилителя в свою очередь связан с выходом приемника, преобра­зующего колебания того же резонато­ра. Известно, что самовозбуждение колебаний в такой замкнутой системе происходит в том случае, если ее ко­эффициент передачи (в разомкнутом виде) больше единицы, а суммарный фазовый сдвиг всех звеньев равен ну­лю или целому числу периодов колеба­ний. Поэтому при использовании уси­лителя с фазовым сдвигом, близким к нулю, и с достаточно большим ко­эффициентом усиления самовозбужде­ние системы произойдет точно на ча­стоте собственных колебаний резона­тора. Существенным положительным свойством этого режима работы явля­ется простота схемной реализации и непрерывность преобразования.

Погрешности частотных преобра­зователей с управляемыми механиче­скими резонаторами состоят из трех составляющих [31]. Первая составля­ющая — это погрешность преобразова­ния измеряемой величины в промежу­точную величину — деформацию, от которой непосредственно зависит соб­ственная частота резонатора. Эта по­грешность целиком определяется свой­ствами упругого элемента и входным преобразователем, если он имеется.

Вторая составляющая появляется из-за того, что собственная частота ре­зонатора зависит не только от дефор­мации, но и от внешних влияющих факторов, в основном от температуры, и от влияния заделки в струнных ре­зонаторах. Сюда же следует отнести и погрешность изменения собственной

частоты при изменении амплитуды ко­лебаний.

Третья составляющая погрешно­сти связана с тем, что возбуждаемые в резонаторе колебания имеют частоту, не точно совпадающую с частотой соб­ственных колебаний резонатора. При работе в автоколебательном режиме величина этой составляющей зависит от фазовых характеристик отдельных элементов частотного преобразовате­ля, а в режиме свободных колебаний эта составляющая погрешности отсут­ствует.

Характерная особенность частот­ных преобразователей с механически­ми резонаторами заключается в том, что амплитудные погрешности возбу­дителя, приемника и усилителя не влияют непосредственно на погреш­ность преобразователя.

Дата добавления: 2014-01-07