Вимірювання параметрів лінійного руху

Для вимірювань параметрів лінійного руху відносними методами широко використовуються контактні методи та засоби вимірювань лінійних та кутових переміщень, зокрема, метод обкочування, різні спектрометричні методи. Суть методу обкочування полягає в тому, що для вимірювань переміщень (пройденого шляху) транспортними засо­бами додаються дискретні переміщення, які визначаються довжиною обводу кола. Тут лінійне переміщення обводу кола перетворюється в кутове переміщення для подальшого перетворення за допомогою кон­тактного "щупа" чи індукційного перетворювача в одиничні імпульси (наприклад, за кожний оберт кола) та додавання лічильником імпульсів.

У різних галузях техніки поширеними методами вимірювань параметрів лінійного руху є так звані інерціальні методи. В основі застосування цих методів лежить фундаментальна властивість тіл – властивість інерції. За допомогою інерціальних засобів вимірювань вимірюють лінійне прискорення твердого тіла та інші зв'язані з приско­ренням параметри лінійного руху. Необхідно, однак, зауважити, що внаслідок еквівалентності інерційної та гравітаційної мас вихідний сигнал подібних засобів вимірювань пропорційний, строго кажучи, не інерційному прискоренню, а так званому позірному (уявному) як геометричній різниці інерційного та гравітаційного прискорень. Правда, здебільшого, зокрема, коли вимірюються горизонтальні прискорення, а прискорення вільного падіння спрямоване в даному випадку перпен­дикулярно до вимірюваного, впливом гравітаційного прискорення нехтують.

В основі всіх методів вимірювань параметрів лінійного руху твер­дого тіла лежить вимірювання сили інерції, пропорційної його масі та прискоренню

F_iн = mа. (4.1)

Для вимірювань лінійного прискорення вибирають деяку "інерційну" масу m, з'єднану з досліджуваним об'єктом і вимірюють її силу інерції. Для вимірювань змінних прискорень з частотами від одиниць Гц до десятків кГц найчастіше застосовуються п'єзоелектричні перетворювачі, для вимірювань сталих та низькочастотних прискорень - перетворювачі інерційної дії.

Розгляд засобів вимірювань параметрів руху почнемо з "предка" сучасних вимірювачів швидкості поступального руху, так званого інтегрувального акселерометра (велосиметра), що на рис. 4.1. Цей прилад – це герметична циліндрична камера 1, заповнена рідиною, в якій плаває інерційна маса 2. Камера приводиться в обертання зі сталою кутовою швидкістю за допомогою допоміжного двигуна. Під дією центробіжних сил, що виникають при обертанні рідини, інерційна маса встановлюється на осі симетрії циліндра. Якщо в досліджуваного об’єкта, до якого штивно під'єднаний корпус перетворювача, є прискорення а=d²x/dt² , то на інерційну масу діятиме сила інерції:

F_ін=(r_ім-r_r)V_ім*d²x/dt², (4.2)

де r_ім т а r_r - відповідно густина матеріалу інерційної маси та рідини; V_ім - об'єм інерційної маси.

Рисунок 4.1 – Інтегрувальний акселерометр

Ця сила, яка спрямована в бік, протилежний напрямку приско­рення, викликає рух інерційної маси і урівноважується гальмівною силою гідродинамічного опору рідини, пропорційного швидкості переміщення інерційної маси в рiдинi в напрямку осi у: F_r=k*dy/dt, де dy/dt- швидкість переміщення інерційної маси; k - коефіцієнт пропорційності. Прирівнявши ці дві сили, одержимо

(4.3)

а

де - коефіцієнт пропорційності.

Існує декілька різновидів конструктивного виконання вимірю­вальних кіл такого велосиметра. Найпростіше його виконання таке. Внутрішня поверхня камери покрита діелектриком, а як робоча рідина використовується електроліт. Всередині камери розміщені три електро­ди, два з яких - на торцевих поверхнях камери, а третій, у вигляді кільця, знаходиться в центральній частині камери. Від усіх трьох електродів зроблені виводи за допомогою контактів ковзання. Вимірю­вальне коло – це міст, два плеча якого утворені однаковими опорами R, а інші два плеча – опорами електроліту між середнім електродом (інер­ційною масою) та двома торцевими електродами. Мірою вимірюваного прискорення буде напруга U_вих розбалансу мостового кола. Похибка такого приладу знаходиться в межах 10% і визначається, переважно, нестабільністю в'язкості робочої рідини, залежної від її температури.

Для вимірювань прискорень поступального руху з похибкою 1...5 % використовують звичайно давачі прямого перетворення маят­никового або пружинного типів. В маятникових акселерометрах інер­ційна маса підвішена на штивному стержні і може повертатися довкола осі кріплення (як маятник), а протидіючий момент може створюватись спіральною пружиною чи електромеханічним способом у системах зрівноважувального перетворення. В пружинних перетворювачах інер­ційна маса кріпиться на вільному кінці пружини, яка і створює протидіючий момент.

Для вимірювань малих лінійних прискорень від часток g (g = 9,8 м/с² - прискорення вільного падіння) до декількох g застосову­ються маятникові перетворювачі. Вторинними перетворювачами в таких засобах звичайно є диференціальні ємнісні перетворювачі, увімк­нені у відповідні плечі неврівноваженого трансформаторного моста змінного струму. Для підвищення точності маятникових акселерометрів вони будуються за схемою урівноваженого перетворення. Похибка таких акселерометрів може бути зведена до 0,05...0,1%, а чутли­вість 10^-4g.

Принцип дії маятникового перетворювача урівноваженого перетворення пояснює рис. 4.2. Якщо є прискорення, що вимірюється, то на інерційну масу буде діяти сила інерції F_x= m*d² x/dt² , що приводить до відхилень від початкових значень ємностей перетворювальних елементів ємнісного диференціального перетворювача і розбалансу мостового кола. Напруга розбалансу моста після підсилення подається на вхід фазочутливого випрямляча, а його вихідна напруга надходить на вхід магнітоелектричного зворотного перетворювача, який розвиває компенсувальну силу F_k, спрямовану назустріч силі інерції. Покази мілі­амперметра можуть бути проградуйовані в одиницях вимірюваної величини.

Рисунок 4.2-Схема акселерометра зрівноважувального перетворення

Якщо вимоги до точності вимірювань невисокі, використовують маятникові перетворювачі прямого перетворення, зокрема з диферен­ціальними перетворювачами. В таких акселерометрах мірою вимірюваної величини є напруга розбалансу моста, у який ввімкнено диференціальний ємнісний перетворювач. Недоліком таких схем є дуже малий діапазон вимірювань через нелінійність функції перетворення, а похибка таких акселерометрів знаходиться в межах декількох відсотків.

На рис. 4.3 наведені схеми пружинних акселерометрів з реостатним - а) та ємнісним вторинними перетворювачами - б). Інерційна маса 1 за допомогою плоских пружин 2 сумарною пружністю W підвішена в корпусі перетворювача, який кріпиться до досліджуваного рухомого тіла. Заспокоєння здійснюється за допомогою демпфера 3. Якщо є вертикальне прискорення, що підлягає вимірюванню, то на інерційну масу буде діяти сила інерції F_iн = -m*d²x/dt² , яка викликатиме переміщення інерційної маси відносно корпуса перетворювача. Протидіючий момент, створений пружинами, F_пр=Wy – в усталеному положеннi F_iн= F_пр, звідки

( 4.4)

Переміщення у може перетворюватись у вихідний електричний сигнал реостатним перетворювачем або досконалішим диференціальним ємнісним перетворювачем.

Рисунок 4.3 - Схеми пружинних акселерометрів: а)- з реостатним та б) - ємнісним вторинними перетворювачами

Використовуються такі акселерометри в транспортній авіації для вимірювань переобтяжених прискорень. Діапазон вимірюваних прискорень таких акселерометрів знаходиться в межах (0,1...100)g.