11-4. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Общие сведения.

В приборах для измерения геометрических размеров (линейных или угловых) применяют преобразователи перемещения (реостатные, индуктивные, емкостные). Такие механические величины, как сила, давление, моменты, обычно предварительно преобразуют в деформацию, механическое напряжение или перемещение с последующим преобразованием в электрические величины с помощью соответствующих преобразователей (тензорезистивных, пьезоэлектрических, реостатных и др.)

Подавляющее большинство преобразователей и приборов для измерения геометрических и механических величин относится к числу аналоговых, однако имеются и цифровые преобразователи и приборы. К их числу относят кодирующие линейки, диски (см. § 8-5), индукционные цифровые тахометры, применяемые для измерения угловой скорости и др.

Приборы для измерений малых перемещений.

В качестве примера рассмотрим прибор с индуктивным преобразователем.

На рис. 11-31 приведена схема прибора с дифференциальным индуктивным преобразователем, включенным в неравновесный мост, питаемый от стабилизатора переменного напряжения. Выходной сигнал моста через выпрямитель подается на миллиамперметр. Показания миллиамперметра определяются положением якоря индуктивного преобразователя. Например, прибор выполненный по этой схеме, предназначен для контроля линейных размеров деталей в процессе обработки. Диапазон

Рис. 11-31. Схема прибора с индуктивным преобразователем для измерения малых перемещений

измеряемых прибором размеров мм; статическая характеристика линейна; чувствительность

Для измерения геометрических размеров (перемещений) в металлорежущих станках числового программного управления широко используют кодирующие измерительные преобразователи линейных и угловых перемещений. Пределы допускаемых погрешностей для преобразователей высшего класса точности составляют I" — для угловых размеров (в пределах 360° угла поворота) и 0,3 мкм — для линейных размеров (при перемещениях в пределах до 10 мм).

При измерении размеров листов проката применяют технические средства (КТС ЛИУС-2), использующие реостатные и трансформаторные преобразователи перемещений и микропроцессорные вычислительные средства.

Приборы с лазерами для измерений геометрических величин.

Лазеры (оптические квантовые генераторы) получили применение для измерения различных величин, и в том числе для измерения геометрических величин. Лазеры применяют при измерении больших расстояний до объектов методами радиолокации. В этом случае на объект посылают либо импульсные, либо непрерывные сигналы. Временной интервал между генерируемым и отраженным импульсами или фазовый сдвиг между генерируемым и отраженным сигналом пропорциональны измеряемому расстоянию. Измеряя временной интервал (фазовый сдвиг) можно судить об измеряемом расстоянии. Например, лазерный дальномер типа расстояние до 2000 м измеряет с погрешностью ±2 см.

Рис. 11-32. Прибор с лазером для измерения перемещения объекта

Рис. 11-33. Манометр с тензочувствительными преобразователями

При измерении малых расстояний (от метра до долей микрометра) используют лазерные интерферометры. В этих приборах производится сложение двух световых потоков, излучаемых лазером, один из которых проходит постоянный путь, а второй — имеет путь, зависящий от измеряемого расстояния. Сложение потоков приводит к усилению или ослаблению суммарного потока в зависимости от разности фаз потоков, т. е. в зависимости от измеряемого расстояния.

На рис. 11-32 показан лазерный прибор для измерения перемещения объекта (детали). Лазер излучает световой поток Ф, который разделяется на два потока с помощью полупрозрачного наклоненного зеркала 4. Поток отражаясь от зеркала а затем от зеркала 5, попадает на фотоэлемент 3. Поток проходит через зеркало 4, отражается от объекта У, затем от зеркала 4 и попадает на фотоэлемент 3. В фотоэлементе 3 потоки складываются. При изменении расстояния до объекта интенсивность суммарного потока будет изменяться, что вызовет модуляцию фототока. Число подсчитанных с помощью счетчика 2 периодов фототока и перемещение объекта на расстояние связаны соотношением где X — длина волны света. При измерении расстояния до погрешность составляет 0,1 — 1 мкм.

Лазеры применяют в приборах для измерения скорости перемещения объектов. При этом используют изменение частоты излучения (эффект Доплера).

Приборы для измерений давления (манометры).

Для измерения давлений широко используют тензорезисторы. На рис. 11-33 показано устройство и принцип действия манометра, предназначенного для измерения давлений. В приборе измерительный преобразователь — стальной цилиндр с наклеенными проволочными тензорезисторами и включенными в мост, и усилитель

Рис. 11-34. Индукционный расходомер

У с миллиамперметром на выходе. Относительная деформация поверхности цилиндра зависит от давления следующим образом: где — измеряемое давление; и — соответственно радиус и толщина стенок цилиндра; Е — модуль упругости стали. Деформация воспринимается рабочим тензорезистором Компенсационный тензорезистор наклеенный вдоль образующей цилиндра, служит для температурной компенсации. При постоянстве питающего мост напряжения сигнал на выходе моста пропорционален измеряемому давлению.

Серийно выпускают электрические манометры с преобразователями на основе тензорезисторов в интегральном исполнении (см. § 11-2); они предназначены для измерения давлений в диапазоне приведенная погрешность приборов ±0,5 %.

Благодаря хорошим динамическим свойствам тензорезисторные манометры применяют для измерения быстроменяющихся давлений. В этом случае выходное напряжение моста регистрируют светолучевым или электронно-лучевым осциллографом.

Прибор для измерений скорости (расхода) жидкости.

Для измерения скорости (расхода) электропроводной жидкости находит применение индукционный расходомер, принцип действия которого основан на том, что при движении потока электропроводной жидкости в магнитном поле, согласно закону электромагнитной индукции, в ней наводится ЭДС.

На рис. 11-34 показан индукционный расходомер. В трубе 1 из немагнитного материала протекает электропроводная жидкость. Поток жидкости пронизывается переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом 2. В потоке возникает ЭДС, которая подводится к измерительному прибору ЭИП с помощью электродов на электродах где к — коэффициент; — угловая частота магнитного потока; В — индукция магнитного потока; — внутренний диаметр трубы; — средняя (по сечению трубы) скорость жидкости; — расход, т. е. количество жидкости, проходящей через сечение трубы в единицу времени.

Преобразователи этих расходомеров практически безынерционны, поэтому индукционные расходомеры целесообразно использовать для измерения переменных во времени расходов.

Показания индукционного расходомера не зависят от физических параметров жидкости (давления, температуры, плотности, вязкости). Кроме того, этот расходомер не создает дополнительного сопротивления для потока жидкости.

Индукционный расходомер имеет погрешность, обусловленную появлением дополнительных ЭДС, наводимых в цепи электродов. Основная погрешность таких приборов находится в пределах ±(1,0-2,5) %.