Преобразователь ускорения движущегося по рельсам поезда

 

 

1. Пьезоэлектрический преобразователь ускорения

 

 

Рисунок 1. а – Пьезоэлектрический преобразователь ускорения.

 

Принцип действия пьезоэлектрического  преобразователя, который представлен на рисунке 1. а,  основан на использовании пьезоэлектрического эффекта (F → q), который состоит в том, что на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков  возникают электрические заряды, под действием механических сил или деформаций. Пьезоэлектрический эффект бывает прямой и обратный. Данный преобразователь ускорения основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в появлении электрических зарядов на гранях пьезоэлектриков при сжатии или растяжении. При прекращении действия силы, приложенной к пьезоэлектрику, заряды на его гранях исчезают. Рассмотрим принцип работы этого преобразователя подробней. При ускоренном движении инерционной массы 1, которая подвешена к корпусу на кольцевых диаграммах  4,  под действием штиля  2  на пьезоэлемент 3, будет действовать сила F=ma, где m – инерционная масса, сжимающая пьезоэлемент, а – ускорение. В качестве материала для пьезоэлемента может быть выбран титанат бария, кварц  (естественный пьезоэлектрический кристалл), титанат свинца, цирконат свинца, турмалин, сегнетова соль и другие. Под действием силы, которая действует на пьезоэлемент 3 на обкладках элемента возникает заряд , который пропорционален ускорению, где d₃₃ – коэффициент , зависящий от вещества и его состояния ( пьезоэлектрический модуль ). При сжатии пьезоэлемента инерционной массой возхникает выходная мощность. Так как эта мощность очень мала, то к преобразователю подсоединяют усилитель, который должен обладать высоким сопротивлением, для того, чтобы можно было снять выходные характеристики. Диапазон измерений ускорения такого преобразователя составляет 0 – 30g (где g = 9,8 м/с² ). Частотный диапазон данного преобразователя 50 – 80 Гц. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Пьезоэлектрический преобразователь ускорения

 

 

Рисунок 1. б – Пьезоэлектрический преобразователь ускорения.

 

На рисунке 1. б представлен другой пьезоэлектрический преобразователь, отличающийся от предыдущего устройством и принципом действия.

Принцип действия данного пьезоэлектрического  преобразователя состоит в том, что под действием ускорения инерционная масса 2 начинает двигаться, следовательно, происходит деформация на пьезоэлементе 3. В следствие чего на поверхности пьезоэлемента,  выполненного в виде втулки и закрепленного между корпусом 1 и инерционной массой 2, возникает электрический заряд. Величина возникшего заряда пропорциональна величине ускорения. Далее электрический сигнал с пьезоэлементов поступает на токовыводы 6 и снимаются показания. Для предотвращения перемещения пьезоэлемента 3 и инерционной массы 2, к ним прикреплены разжимные упругие кольца 4 и 5. Тем самым обеспечивается их защемление между пьезоэлементом и противоположной поверхностью канавки. [8]

 

 

     

1. Тензорезистивный преобразователь ускорения

 

 

Рисунок 2. а – Принципиальная схема тензорезистивного преобразователя линейного ускорения.

 

          Работа тензорезистивного преобразователя основана на использовании тензорезистивного эффекта, заключающегося в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

          Действие тензорезистивного преобразователя,  представленного на рисунке 2. а, основано на преобразовании силы, возникающей при ускоренном движении инерционной массы, в изменение сопротивления тензоэлементов. Инерционная масса представлена в виде грузов 1, которые закреплены на свободных концах плоской пружины 2. Центральная часть данной пружины соединена с корпусом преобразователя. С двух сторон пружин наклеены тензоэлементы 3, включенные в мостовую схему. Тензоэлементы изготавливают из константана.  Внутренний объем преобразователя залит демпфирующей жидкостью. [3]

         При ускоренном движении инерционной  массы 1,  возникает сила, таким образом, происходит деформация пружины 2, на которой закреплены тензорезисторы 3. Такая деформация мембраны (пружины) вызывает деформацию тензорезистора, который может быть изготовлен, например, из проволоки. В результате чего, изменяется его длина, поперечное сечение, что приводит к изменению электрического сопротивления тензорезистора, которое определяется отношением

, (2.2.1)

где  – изменение длины проволоки под действием деформации;

 изменение  сопротивления тензорезистора под  действием деформации;

μ – коэф. Пуассона.

        Данное изменение сопротивления  тензорезистора является выходной  величиной. Поэтому для ее определения к преобразователю подключают тензометрическую аппаратуру.

          В современном виде тензорезистор  конструктивно представляет собой  чувствительный элемент из тензочувствительного  материала (проволоки, фольги  и др.), закрепленный с помощью  связующего (клея, цемента) на исследуемой детали, представленной на рисунке 2. б. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники.

Рисунок 2. б – Схема тензорезистора:

1 – чувствительный  элемент; 2 – связующее; 3 – подложка;4 – исследуемая деталь; 5 – защитный  элемент; 6 – узел пайки (сварки); 7 – выводные проводники

          Для удобства установки тензорезисторов  некоторые конструкции имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а так же защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

        Диапазон изменений ускорения  такого преобразователя равен  0 – 20g. Частотный диапазон, в котором работает данный тензорезистивный преобразователь составляет 0 – 70 Гц, а частота собственных колебаний инерционной массы приблизительно равна 200 Гц. [5]

 

 

2. Тензорезистивный преобразователь ускорения

 

 

          На рисунке 2. в) представлен другой тензорезистивный преобразователь ускорения, который отличается от предыдущего простотой конструкции.

Рисунок 2. в – Тензорезистивный преобразователь ускорения

 

          Принцип  действия преобразователя данного  типа так же основан на использовании тензорезистивного эффекта, который сопровождается изменением сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.

          Таким  образом, при ускоренном движенииинерционной  массы 1 возникает сила, которая в дальнейшем преобразуется в изменение сопротивления тензорезистивных элементов.

          Инерционная  масса выполнена в виде груза  1, который укреплен на свободном  конце плоской пружины 2. Данная  пружина изготовлена из бериллиевой бронзы. С двух сторон пружины наклеены тензоэлементы, которые могут быть изготовлены из константана. Эти тензоэлементы включены в мостовую схему. [6]

          Для  определения входной величины  к преобразователю подключают  тензометрическую аппаратуру.

          Диапазон  именений ускорения данного преобразователя  равен (0,5 – 20)g. Частотный диапазон составляет 0 – 75 Гц, а частота собственных колебаний упругой системы до 200 Гц. 

 

 

3. Реостатный преобразователь ускорения

         

 

Рисунок 3 – Принципиальная схема реостатного преобразователя ускорения.

 

          Реостатный преобразователь, который показан на рисунке 3 представляет собой реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Действие данного преобразователя основано на преобразовании силы в изменение сопротивления реостатного преобразователя. При ускоренном движении инерционной массы  1, которая подвешена на винтовых пружинах 2 возникаетсила. Данная инерционная масса перемещается вдоль направляющих 3 и 4, которые закреплены между корпусом и механической передачей. Также на инерционной массе закреплен ползунок 6, а на корпусе укреплен каркас 5 с обмоткой реостатного преобразователя. Обмотка обычно делается из провода, изготовленного из манганина, константана или фехраля. Преобразователь снабжен демпфером сухого трения 7. Оси демпфера и инерционной массы вращаются электродвигателем 9 через механическую передачу 8, соединяющую двигатель с направляющими 3 и 4.

          При  перемещении ползунка 6 вдоль каркаса  5 на величину шага обмотки сопротивление изменяется на , где - производная требуемой функции преобразования по перемещению ползунка x. Так как функция преобразования линейная, то получается, что и высота каркаса должна быть тоже постоянная. Напряжение, которое возникает на ползунке, подается на нагрузку , подключенную к данному преобразователю. После этого снимают показания. Выходной величиной является изменение сопротивления. [7]

          Диапазон измерений ускорения  этого преобразователя составляет  ± 0,5g; ± 1g;    3÷ +3g; - 1 ÷ +6g; -1÷+9g. Полное сопротивление реостатного преобразователя равно 800 Ом. Максимально допустимый ток 30 мА, а напряжение питания (постоянный ток) равно 6 В.  Так же преобразователь данного типа имеет предельную погрешность ±1% от диапазона изменений ускорения.

 

 

4. Индуктивные преобразователи

 

 

Принцип работы ИП основан на изменении самоиндукции катушки (L) при изменении магнитного сопротивления его магнитной цепи . Изменение магнитного сопротивления происходит в результате изменения параметров воздушного зазора под действием входного сигнала .

На рисунке 4 представлен индуктивный преобразователь, который представляет собой катушку самоиндукции W с ферромагнитным сердечником 1 и якорем 2, отделенным от сердечника воздушным зазором d. Магнитное сопротивление зазора R_d измениться в результате изменения величины воздушного зазора d или его площади поперечного сечения S_d. Катушка соединена с нагрузкой Z_н и источником переменного напряжения U_~.

 

 

 

Рисунок 4 –  Индукционный преобразователь с  переменной длиной воздушного зазора

 

Сердечник и якорь изготавливают из магнитомягких  материалов с малыми потерями на гистерезис. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник и якорь набирают из отдельных изолированных друг от друга пластин .

Такой преобразователь  обладает высокой чувствительностью  к входной величине, незначительной чувствительность к внешним магнитным полям и сравнительно небольшой собственной емкостью.

По сравнению с другими  преобразователями перемещения  индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

Недостатком их является наличие обратного воздействия  преобразователя на измеряемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную характеристику прибора.

 

 

5. Ёмкостные преобразователи

 

 

          Ёмкостные преобразователи представляют собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами  заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется ёмкость конденсатора. [10]

В качестве ёмкостного преобразователя  широко используется плоский конденсатор. Его ёмкость определяется выражением

 

                                                    (2.5.1) 
где  δ – расстояние между электродами;

S – площадь электродов;

ε₀ – электрическая постоянная;

ε_r – относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров приводит к изменению  ёмкости конденсатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Выбор преобразователя

 

 

          При рассмотрении всех измерительных  преобразователей ускорения, наиболее  подходящим для решения поставленной  задачи является тензорезистивный преобразователь ускорения, принципиальная схема которого представлена на рисунке 3.

          Устройство данного типа преобразователя  хорошо подходит для измерения линейных ускорений.

          Простота конструкции, малые габариты  и масса позволяют использовать тензорезисторы для измерения ускорений, сил, давлений, вращающих моментов и других величин, преобразующих в упругую деформацию в труднодоступных местах различных машин и механизмов без изменения конструкций.

          К достоинствам тензорезистивных  преобразователей относится большая чувствительность. Преобразователи данного типа обладают на 2 порядка большей чувствительностью, чем другие.

          Благодаря большей площади соприкосновения  фольгового тензорезистора с объектом измерения его теплопередача высокая, что позволяет увеличить ток, протекающий через тензорезистор ( до 200 мА), и тем самым повышается чувствительность. Другим достоинством фольговых тензорезисторов является то, что они имеют широкие перемычки между полосками тензорешетки, у них поперечная чувствительность к деформации практически сводится к минимуму. Так же важным достоинством является лучшая восприимчивость к деформациии объекта, вследствие большего периметра сечения плоской чувствительной полосы к площади её сечения. Это позволяет обеспечить большую точностьизмерения деформаций.