книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

притягиваются к зубцам неподвижных электродов 3 и система зани­

мает устойчивое положение равновесия, при котором емкость между

электродами максимальна. При отклонении подвижного электрода от положения равновесия возникает возвращающий момент W3a, стремящийся вернуть систему в нейтральное положение. Электриче­ ская жесткость W3 в совокупности с моментом инерции J подвижной части образует колебательную систему и определяет ее собственную

частоту. Электронный усилитель Ус поддерживает незатухающие

колебания при помощи электромагнита 5, взаимодействующего с при­ крепленным к подвижной пластине постоянным магнитом 6. Для

съема сигнала без дополнительного нагружения системы используется

осветитель 1 и фоторезистор 4 [112].

Так как для электростатического механизма

2

W3 = 2d dufl UX i

где e — диэлектрическая проницаемость; С — емкость между пла­

стинами; d — зазор между пластинами; а — угол поворота подвиж­

ной части, то при условии dvï = const собственная частота

чение чувствительности и улучшение линейности достигается рацио­ нальным выбором формы пластин.

Сравнение описанного устройства с обычными электростатиче­ скими механизмами показывает его явные преимущества. Сравнение момента, обусловленного измеряемой величиной, не с моментом уп­ ругости, а с моментом инерции обеспечивает более высокую стабиль­

ность. В автоколебательном режиме удается увеличить удельный элек­

трический момент системы почти в шесть раз по сравнению с обычным механизмом, что в свою очередь сопровождается уменьшением пере­

менной составляющей емкости между электродами в два раза при умень­

шении полной емкости между пластинами на 10%, т. е. при одинако­ вых удельных электрических моментах переменная составляющая •емкости уменьшается в 12 раз.

Основным источником специфической для таких устройств погреш­

ности является наличие противодействующего момента растяжек,

что приводит к нелинейности характеристики преобразования напря­

жения в частоту, особенно в начальной ее части, и некоторой неста­

бильности, так как с учетом противодействующего момента растяжек

Я7р частота колебаний

Практически удается достичь лишь Wp/W3 = 0,1 -+- 0,2. Кор­ рекция нелинейности характеристики преобразования может быть

осуществлена в измерительной цепи методом, описанным в [234].

Отличительной особенностью этого типа датчиков является низ­ кое значение выходной частоты (/ = 5 20 гц). Поэтому для увели­

чения точности отсчета в измерительной цепи производится умножение

частоты или измерение периода колебаний с последующим преобра­ зованием его в обратную величину при помощи специального цифро­

вого устройства. Общая погрешность описанного датчика составляет

0,01%, что в 5—10 раз меньше, чем у лучших электростатических при­ боров обычного исполнения.

Маятниковый частотный датчик может быть разработан и на базе магнитоэлектрического преобразователя. Этот датчик состоит из двух катушек, расположенных в неравномерном магнитном поле постоян­

ного магнита под некоторым углом друг к другу. При прохождении

через катушки измеряемого тока 1Хвозникают моменты, изменяющиеся

при повороте подвижной части и образующие магнитоэлектрическую

Частота свободных колебаний подвижной части в этом случае

определяется величиной тока 1Х:

Для поддержания автоколебаний используется наводимая в одной из катушек э. д. с., которая усиливается и поступает в другую ка­ тушку, компенсируя потери на трение и электромагнитное затухание. Этому устройству, так же как и вышеописанному, присущи низкая выходная частота (/ = 5 ч- 35 гц) и незначительная добротность

(Q = 20 25), а нестабильность магнита не позволяет достичь в этих

датчиках погрешности ниже 0,02%.

4-3. Частотные датчики с маятниковыми резонаторами для измерения неэлектрических величин

На рис. 4-2 показана схема устройства датчика для измерения

линейных ускорений, выполненная на базе малогабаритных часов со свободным ходом и неуравновешенным балансиром [115]. Под дейст­

вием внешнего ускорения х, направленного перпендикулярно оси

маятника, при отклонении массы т на малый угол ср от направления

действия ускорения возникнет дополнительный устанавливающий мо­

мент, равный mix sin ср æ ml ср*. В результате собственная частота

оказывается равной

пропорциональная измеряемой величине.

Для улучшения линейности датчик может быть дифференциаль­

ным, т. е. состоять из двух механизмов 4M t и ЧМ2 (рис. 4-3) с маят­ никами, дисбалансы которых направлены в противоположных направ­

вые датчики для измерения других неэлектрических величин (усилий,

давлений, перемещений, температур и т. д.) могут быть также по­

строены на принципе изменения

одним концом жестко присоеди­ ненная к оси крутильного маятника 3. Другой конец ленты пропу­

скается через прорезь предварительного преобразователя /, который

может быть выполнен в виде инерционной массы (для измерения уско­

рений), упругой мембраны (для измерения давлений и усилий), биме­

таллической пластины (для измерения температуры) или другого устройства для преобразования измеряемой величины в перемещение.

При изменении активной длины ленты под воздействием измеряемой

величины изменяется ее жесткость и, следовательно, частота коле­ баний маятника.

Погрешности частотных датчиков с маятниковыми резонаторами подробно проанализированы в работе [108]. Их рассмотрение показы­

вает, что с помощью механизмов обыкновенных часов могут быть до­

стигнуты высокие точности преобразования. Так, например, если

ошибка хода каждого из часовых механизмов составляет 10~4, т. е. 5 мин за месяц, а относительная девиация частоты каждого маятника равна 0,05, то ошибка преобразования дифференциального датчика

будет у = 0,2%, а при использовании более точных часовых меха-

низмов типа хронометра может быть достигнута еще меньшая вели­ чина погрешности, вплоть до значений у = 0,005%.

Частотный диапазон использовйния датчиков с маятниковыми резонаторами определяется частотой их автоколебаний и для совре­ менных механизмов ограничивается значениями 0,25 — 0,5 гц.

.(Û

4-4. Частотные датчики с механическими резонаторами, основанными на изгибных колебаниях

Язычковые резонаторы, представляющие собой консольно зажа­ тую упругую пластину или трубку, строго говоря, являются систе­ мами с распределенными параметрами. Однако часто они имеют на

конце сосредоточенную массу и в этом случае в первом приближении

могут рассматриваться как системы с сосредоточенными параметрами; Возбуждение язычковых резонаторов чаще всего осуществляется электрически, однако они могут возбуждаться и пневматически (по­ добно язычку аккордеона). Примеры датчиков с язычковыми резона­

торами переменной жесткости для измерения ускорений, давлений

и линейных размеров описаны в работах [2, 36].

Примером использования язычкового резонатора с переменной

массой может служить описанный в [116, 117] частотный датчик для

измерения уровня жидкости. Резонатором этого датчика (рис. 4-5) двляется дюралевая трубка 7, укрепленная на овальном латунном

упругом элементе 2. Период собственных колебаний такого резонатора

связан с высотой А столба жидкости соотношением

105) добротность камертонных резонаторов, выполненных из неметал­

лических материалов (например, кварцевых).

Свойства камертонных резонаторов подробно рассмотрены в ра­

боте [1211. Для определения основной частоты собственных колебаний

камертонного резонатора может быть использована формула

точные датчики. Так, например, на основе изображенного на рис. 4-7 резонатора выпускаются наручные электронно-механические часы, ко­

торые при серийном выпуске, без специальных регулировок и доводок,

обеспечивают суточный ход с погрешностью ± 2сек (2 • 10-5) . При этом

гарантируется стабильная величина этой погрешности в течение года

без смены источника питания при изменении температуры окружающей

среды от — 7 до + 50° С. Для уменьшения температурной погрешно­

сти датчиков стабильной частоты используют биметаллические ка­

мертоны (рис. 4-8), что обеспечивает стабильность частоты в преде­

лах (1 2) 10-7 отн. ед. При более жестких требованиях к стабиль­

ности частоты прибегают к термостатироваиию резонаторов.

Специальные симметричные конструкции камертонов, нечувстви­ тельные к изменению положения в пространстве и предназначенные

для преобразования в частоту электрического тока и напряжения, описаны в работе [25]. На базе камертонных резонаторов могут быть

построены частотные датчики для измерения температуры. В этом

случае материал, из которого изготавливается резонатор, должен иметь большое значение температурного коэффициента линейного расширения.

К датчикам с изгибными колебаниями относятся также вибропластинные датчики, подробно рассмотренные в работах Л. Г. Эткина, Ю. С. Плискина и их сотрудников [123, 247].

4-5. Частотные датчики с механическими резонаторами, основанными на продольных и поперечных колебаниях

Тип колебаний, способных распространяться в упругой среде,

зависит от ее упругих свойств. В среде, подвергающейся лишь де­

формации сжатия (жидкость, газ), распространяются только продоль­ ные волны.

В среде, подвергающейся как деформации сжатия — растяжения,

так и деформации сдвига, могут распространяться и продольные, и

поперечные волны. Для изотропной однородной (поликристалличе* ская структура) среды скорость распространения продольных волн

с = VEJp, где Е — модуль упругости, р — плотность. Для этой же

среды скорость распространения поперечных волн (колебания сдвига, крутильные)

где N — модуль сдвига, ар, — коэффициент Пуассона.

Период колебаний стержня определяется временем прохождения фронта волны от одного конца стержня до другого и обратно. Поэ­

тому при длине стержня, равной /, основная собственная частота про­ дольных колебаний

Это соотношение показывает, что на основе таких резонаторов

могут быть построены частотные датчики для измерения I, Е , р или

величин, функционально связанных с ними.

Для поддержания колебаний в таких резонаторах используется либо эффект магнитострикции, либо пьезоэффект. Примером резона­ тора с магнитострикционным возбуждением продольных колебаний может служить устройство, приведенное на рис. 4-9. Круглый стер­ жень 4 из феррита с магнитострикционными свойствами имеет на кон­

цах катушки возбуждения 1 и приема 3. В центре стержня, концен-

трично с ним расположен цилиндрический поляризующий постоян­ ный магнит 2. С целью уменьшения габаритов такого резонатора иногда используют крутильные колебания, частота которых для стержня тех же габаритов значительно ниже, чем продольных, и оп­ ределяется выражением

Вкачестве примера частотного датчика, использующего резонатор

смагнитострикционным возбуждением, может быть приведен выпу^

скаемый фирмой «Брансон» датчик (рис. 4-10) переносного прибора

для измерения твердости. Чувствительным элементом этого датчика является стержень 1 из ферромагнитного материала, на который сво­ бодно надета обмотка возбуждения 2.. Один конец стержня имеет ко­ нический наконечник, а второй прикреплен через кварцевый пьезо­

элемент 3 к инерционной массе 4. От усилителя 6 на обмотку возбуж­ дения подается подмагничивающий постоянный ток, а также усилен­

ный и повернутый по фазе сигнал от пьезоэлемента. Таким образом, получается замкнутая и самовозбуждающаяся электромеханическая

колебательная система. Если датчик опустить на исследуемый образец,

конусный наконечник под действием груза 4 и пружины 5 прижмется к поверхности образца, при этом увеличение частоты колебаний си­ стемы определится твердостью образца, точнее площадью соприкосно­ вения конусного наконечника и образца. Однако зависимость между твердостью и частотой нелинейна.

Пьезоэффект используется для возбуждения кварцевых резона­ торов, выполняемых в виде пластинки, диска, линзы или стержня, снабженного электродами возбуждения колебаний. Пьезоэлемент вы­

резается и закрепляется таким образом, что в нем возбуждается лишь

один из возможных типов колебаний: продольные колебания (сжатия— растяжения по длине или ширине), поперечные колебания (сдвига), крутильные колебания (тоже сводящиеся к сдвигу), а также изгибные.

Для каждой формы колебаний действующий модуль упругости

(модуль Юнга, модуль сдвига, модуль кручения или изгиба) зависит

в отличие от изотропного резонатора от направления распространения

фронта волны и является комбинацией элементов матрицы упругости.

Так как в кварце имеются постоянные упругости с положительными

и отрицательными температурными коэффициентами, то, ориенти­

руя соответствующим образом угол среза пьезоэлемента, удается

получить резонаторы с малыми или даже нулевыми ТКЧ в диапазоне температур (например, ЛТ-срез).

Благодаря своей исключительно высокой добротности и стабиль­ ности кварцевые резонаторы широко используются при построении мер частоты. Такие датчики при термостатировании с погрешностью

± 0,05° С обеспечивают стабильность частоты до 1 — 2* 1(Г7 Допол­

нительная стабилизация режимов позволяет получать меры частоты,

обладающие стабильностью не хуже 10“ 9 в течение часа, а при долго­

временном использовании — 1(Г8 (для часов -—0,001 сек в сутки).

При построении частотных датчиков температуры используют

два кварцевых резонатора: один с кристаллом АТ-среза, а другой — с кристаллом К-среза, у которого температурный коэффициент ча­

стоты составляет величину порядка 10“ 4 1/град. Выходной величиной

таких датчиков температуры является, разность частот двух генера­

торов.

Для получения высокой точности и воспроизводимости измерений температуры необходимо использовать кристаллы высокой чистоты,

не имеющие дефектов. Особенно важное значение имеет качество об­

работки поверхности резонатора, так как нарушения поверхностного

слоя являются основной причиной старения. Скорость старения, а следовательно, и неконтролируемого ухода частоты резко увеличи­

вается из-за прогрессирования микродефектов вследствие термиче­

ских напряжений, неизбежных при термометрировании. Так как ха­

рактеристикой качества резонатора, в частности состояния его по­

верхности, является добротность, для. точных измерений температуры используются кварцевые резонаторы с высокой добротностью (500 000

и выше). Обычно применяются высокочастотные резонаторы в форме диска с фасками (F -среза), в которых возбуждаются поперечные ко­ лебания сдвига по толщине. Электроды возбуждения расположены в центральной части оснований дисков, а токовыводы для сохранения высокой добротности резонаторов крепятся диаметрально на фасках

диска.

При работе на частоте в несколько десятков мегагерц чувствитель­ ность такого датчика составляет несколько сотен герц на градус. При

измерении отклонений температуры на 10“ 3 — 1(Г6 град проявляется заметное влияние нагрева кварца К-среза возбуждающим его током. Поэтому для точных измерений необходимо строить генератор так, чтобы ток в кристалле был возможно меньшим (порядка 50 мка). Ниже

приведены некоторые характеристики цифровых термометров [125],

использующих кварцевые резонаторы:

Другим примером использования частотных датчиков с твердыми резонаторами могут служить цифровые приборы для измерения тол­

щины слоя обледенения на крыле самолета [114, стр. 187] или для

измерения толщины распыляемых в вакууме покрытий [36]. Принцип

действия таких преобразователей может быть пояснен следующим образом. Кристалл кварца толщиной /0 имеет период собственных

колебаний Т 0 = 2/0/с0, где с0 — скорость распространения звука в

кварце. При намерзании льда или нанесении покрытия толщиной 1Х период колебаний определяется суммарным временем прохождения

волны на длине /0 со скоростью с0 и на длине 1Х со скоростью сх, т. е.

Таким образом, наблюдаемое приращение периода является ли­ нейной функцией измеряемой толщины покрытия.

Для измерения небольших приращений толщины 1Х или массы mxt

например, в процессе напыления более удобной является приближен­

ная зависимость приращения частоты резонатора:

Д/ = - Л / Х = - ^ Д т * .

Чувствительность подобных датчиков достаточно высока. Так, при размещении кварцевого резонатора с начальной частотой 5 Мгц рядом с объектами, на которые в вакууме напыляются покрытия (с тем,

чтобы пленка такой же толщины образовывалась и на кристалле),

генерируемая частота изменяется на 45 гц на 1 нм (10“ 6 мм) напыляе­ мого серебряного покрытия.

Аналогично был устроен датчик для измерения эрозии, который устанавливался на спутнике Дискаверер-26 [126]. Этот датчик, со­

держащий кварцевый кристалл, покрытый тонким слоем золота, имел частоту собственных колебаний 10 Мгц и обеспечивал чувствитель­

ность (по эрозии) S = 1 гц на 1СГ9г, что соответствовало 1 гц на 0,004 нм золота. В интервале температур ± 60° С резонатор обладал темпера­ турной погрешностью S t = 1 гц/град. Поэтому в датчике использова­