Глава 2. Принципы построения измерительных устройств, основанных, на генерации и распространении упругих колебаний и волн в различных средах

При воздействии на любую физическую систему в ней возбуждаются динамические переходные процессы. В зависимости от соотношения частоты возмущения с собственной частотой системы могут устанавливаться свободные или вынужденные колебания, а в зависимости от соотношения размеров элементов системы с длиной волны возмущения могут принимать вид бегущей или стоячей волны. Использование резонансных колебательных или волновых процессов в измерительных устройствах с согласованными размерами обеспечивает их высокую чувствительность. Первичными измерительными преобразователями при этом могут служить электрические контуры, механические, электромеханические или оптические резонаторы, протяженные линии и т.п. Модулируемыми характеристиками таких устройств могут являться параметры элементов колебательных систем первичных преобразователей, параметры канала передачи измерительного сигнала. Соответственно, колебания и волны при этом будут называться электромагнитными, акустическими, механическими, химическими, гравитационными и т.п. Измерительные устройства, реализующие колебательные и волновые процессы различной природы могут иметь амплитудный, частотный и фазовый выход.

Колебательные и волновые процессы могут происходить в структурах различной сложности: в атомах, молекулах, макромолекулах, доменах, кластерах и т.п. Чем выше частота колебаний в системе, тем выше добротность колебательного контура, тем выше может быть достигнута разрешающая способность измерительного устройства. Поэтому наиболее чувствительными и точными являются высокочастотные преобразователи, например, ультразвуковые преобразователи, СВЧ и оптического диапазона.

С появлением современных материалов, новых технологий и возможностей совершенствования устройств, за счет широкого использования микропроцессорной техники, были разработаны новые типы измерительных преобразователей, как миниатюрных, элегантных моделей, так и датчиков, способные надежно работать в жестких условиях. С их помощью можно производить измерения массы, потоков жидких и газообразных сред, вязкости, уровня, давления, усилий, ускорений и т.п.

В связи с развитием полупроводниковых технологий, используемых для создания измерительных преобразователей, появился повышенный интерес к микросенсорам, использующим резонансные режимы работы. Такие устройства характеризуются не только высокой чувствительностью, но и дешевизной при серийном их производстве.

Как правило, чувствительными элементами электромеханических датчиков являются провода, стержни, цилиндры и т.п. Поскольку выходным сигналом таких устройств, чаще всего, является частота колебаний, то проблемы с шумами, помехами значительно уменьшаются при прямой обработке сигнала. Такие устройства чаще всего работают в резонансном режиме, поэтому потребляемая мощность не велика. Основным их недостатком является температурный дрейф резонансной частоты вибратора, что приводит к нелинейной зависимости выходного сигнала от измеряемой величины.

Колебательный процесс в таких устройствах может быть реализован двумя способами:

· гармонический (энергия переносится от одного накопителя к другому в течение цикла, потери компенсируются источником питания);

· релаксационный (используется только один накопитель энергии, энергия запасается во время импульса и выделяется в виде колебаний).

Чувствительная часть колебательной структуры может находиться в одной точке или малой области (сосредоточенная), как в случае пружины, груза и демпфера, или распределяться по всей структуре (распределенная), как в продольно вибрирующей пластине.

В настоящее время используют электромеханические резонаторы с электрическим (пьезоэлектрические, электрострикционные), магнитным (магнитострикционные) и тепловым возбуждением колебаний. Наибольшее распространение получили пьезорезонансные датчики. Модулируемыми величинами таких устройств являются не только параметры ЭЭСЗ пьезорезонатора, но и параметры окружающей его среды, что существенно расширяет область применения измерительных устройств на их основе.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: