Датчики приложенной силы, магнитного поля, давления
Деформация и смещение
Измерение таких физических переменных, как положение и сила, само по себе достаточно сложно. Любой измерительный прибор должен включать в себя такие устройства, как тензодатчик (датчик, преобразующий величину деформации в удобный для измерения сигнал), дифференциальные преобразователи линейных перемещений и т.п. Основным здесь является измерение перемещения.
Существует несколько прекрасных методов измерения положения, смещения (изменение положения) и деформации (относительное удлинение).
Дифференциальные преобразователи линейных перемещений
Весьма распространены дифференциальные преобразователи линейных перемещений (ДПЛП), название которых само объясняет их суть. Они строятся в виде трансформаторов с подвижным сердечником, в которых возбуждается переменным током одна обмотка и измеряется индуцированное напряжение во второй обмотке. Вторичные цепи имеют в середине отвод (или делаются как две отдельные обмотки) и располагаются симметрично по отношению к первичной, как показано на рисунке.
ДПЛП выпускаются различных размеров и охватывают диапазон перемещений от 0,125 до 625 мм, с частотами возбуждения от 50 Гц до 30 кГц и точностью от 1 до 0,1% или еще лучше. Если вы работаете в этой области и пользуетесь ДПЛП, у вас может возникнуть желание создать собственную аппаратуру, возможно использующую ИМС, предназначенные для специальных целей.
Например, прибор Signetics NE5520/1 «LVDT Signal Conditioner» выдает сигналы синусоидального возбуждения и включает в себя синхронный демодулятор, обеспечивающий выходное напряжение пропорциональное перемещению, измеренному ДПЛП. Устройства 2S54/6 Analog Devices являются синхронными демодуляторами с высокой линейностью (0,01%), имеющими встроенные А/Ц-преобразователи, обеспечивающие прямые цифровые выходы (14 и 16 бит соответственно).
Тензодатчики
Тензодатчики измеряют удлинение и (или) изгиб сборки из четырех металлических тонкопленочных резисторов, подвергаемой деформации. Они выпускаются в виде законченных комплектов размерами от 0,4 мм до нескольких сантиметров с сопротивлением, обычно равным приблизительно 350 Ом/плечо. Электрическая схема тензодатчиков подобна мосту Уитстона: на два противоположно расположенных зажима подается постоянное напряжение, а с двух других снимается разность потенциалов. Выходные напряжения очень малы, обычно около 2 мВ на 1 В возбуждения при полной шкале деформации, точность от 1 до 0,1 % всей шкалы:
Очень сложно измерять относительно малые удлинения. Определение величины деформации в этом случае, к сожалению, ненадежно. Небольшие различия в температурных коэффициентах элементов моста влияют на их чувствительность к температуре, что ограничивает точность деформации. Это проблематично даже в условиях контролируемой температуры окружающей среды из-за явления саморазогрева. Например, при возбуждении постоянным током и напряжением 10 В 350-омного моста в чувствительном элементе рассеивается 300 мВт. Его температура возрастает на 10 °C (или больше), что вызывает ошибку в реальном сигнале от 0,1 до 0,5% для всей шкалы.
Получили также распространение полупроводниковые тензодатчики. На выходе они дают сигнал, в 10 раз превышающий сигнал металлопленочных приборов, а их сопротивление составляет несколько сотен омов. И что особенно важно, для их возбуждения можно использовать источник тока, а не источник напряжения, а это дает возможность минимизировать чувствительность к температуре.
Емкостные преобразователи
Очень чувствительный метод измерения перемещений может быть реализован, если использовать преобразователь, состоящий просто из двух близко расположенных друг к другу пластин или из пластины, заключенной между парой внешних пластин. Включив такой конденсатор в резонансную схему или используя мост, возбуждаемый переменным током высокой частоты, можно улавливать и измерять очень малые изменения положения. Емкостные микрофоны используют этот принцип для преобразования акустического давления или скорости его изменения в электрический сигнал звуковой частоты.
Интересные схемные решения применяются в усилителях для конденсаторных микрофонов. Они имеют большое практическое значение, поскольку многие из лучших микрофонов для записи являются просто емкостными датчиками положения, состоящими из тонкой металлизированной пластиковой фольги, расположенной почти вплотную к жестко закрепленной пластине. Конденсатор заряжается через большое сопротивление напряжением от 50 до 100 В, и фиксируются изменения напряжения при движении диафрагмы в звуковом поле.
Конденсаторные микрофоны имеют чрезвычайно высокие импедансы источника (типичная капсула имеет емкость около 20 пФ или реактивное сопротивление около 400 МОм при 20 Гц), поэтому шансы, что сигнал сумеет пройти даже через кабель малой длины, практически отсутствуют, если не поместить непосредственно при капсуле предусилитель. На рисунках ниже представлены два способа усиления напряжения с капсулы, амплитуда которого может принимать значения от 1 мВ до 100 мВ (эфф.) для обычно используемых материалов.
В первой схеме малошумящий операционный усилитель на полевых транзисторах обеспечивает усиление 20 дБ и низкое выходное сопротивление, необходимое, чтобы возбудить однопроводную экранированную линию. Поскольку усилитель должен располагаться вплотную к капсуле микрофона (в пределах нескольких сантиметров), следует рабочие напряжения (смещение для капсулы, а также питание ОУ) подавать через микрофонный кабель, а в данном случае по дополнительным проводам. Особенностью этой схемы является плавающая микрофонная капсула, позволяющая упростить задание смещения ОУ.
R1 и С1 — фильтр напряжения смещения микрофона, R2 должен иметь высокое сопротивление по сравнению с капсулой на всех звуковых частотах, R5 и С4 образуют фильтр ВЧ, так как линия несбалансированная и в нее, следовательно, могут проникать радиочастотные наводки и помехи.
Эта схема не лишена некоторых недостатков. Она требует 4-жильного кабеля, тогда как промышленностью выпускается стандартный экранированный двухжильный кабель. К тому же плавающая капсула создает чисто технические трудности.
Эти недостатки ликвидируются во второй схеме, где смещение на капсулу подается по линии, служащей и для передачи звуковой частоты. При этом линия представляет собой согласованную 200-омную пару. Один электрод капсулы заземлен, а p-канальный p-n-полевой транзистор (ПТ) используется в режиме истокового повторителя, работающего на небольшой трансформатор звуковой частоты. Однополюсный выход восстанавливается на удаленном конце, где смещение подается на центральное ответвление трансформатора. Кое-кто может возразить, что увеличение числа трансформаторов — плохая идея, но на практике они прекрасно работают.
Углы
Угол поворота объекта с достаточно хорошей точностью можно преобразовать в электрические сигналы. Например, имеются модификации ДПЛП для измерения углов поворота. Весьма популярны вращающиеся синусо-косинусные преобразователи. В обоих случаях используется возбуждение переменным током, и угловое положение легко измеряется вплоть до дуговой минуты. Приложив некоторые усилия, можно измерять углы и на уровне дуговой секунды. В других приборах используется, например, световой пучок, падающий на стеклянный диск с серыми радиальными штрихами.
Интерферометрия
Измерения положения с высокой точностью можно проводить, используя отражение лазерного луча от зеркал, скрепленных с предметом, и считывая число интерференционных полос. Предельная точность таких методов определяется длиной волны излучения, так что приходится приложить большие усилия, чтобы добиться точности, большей чем полмикрона (1 микрон, или микрометр, равен 1/1000 мм). Например, промышленный измеритель 5527А на лазере, выпускаемый фирмой Hewlett-Packard, имеет разрешение, приближающееся к 10-6 см. Лазерные интерферометры используют для непрерывных наблюдений, для измерений плоскостности и для решения различных задач в научно-исследовательских лабораториях.
В Национальном бюро стандартов большинство прецизионных измерений размеров осуществляется интерференционно с помощью Deslatt. Дислетты, несомненно, прекрасны, когда требуется проводить прецизионные физические измерения, так как они позволяют измерять интервалы до миллиангстрема (10-11 см) и углы в дуговых миллисекундах.
Кварцевые генераторы
Кварцевые кристаллы откликаются на деформацию изменением своей резонансной частоты, таким образом обеспечивая очень точный метод измерения малых смещений или измерений давления. Кварцевые преобразователи давления обеспечивают самое высокое разрешение из всех устройств, имеющихся в настоящее время.
Ускорение, давление, сила, скорость
Описанные методы позволяют измерять ускорение, давление и силу. Акселерометры содержат в себе тензодатчик, связанный с массивным пробником, или датчик емкостного типа, которые реагируют на изменение в положении пробной массы. В акселерометрах, которые измеряют непосредственно перемещение пробной массы для получения выходного сигнала, приходится демпфировать систему для предотвращения колебаний. В некоторых системах используют обратную связь, препятствующую массе перемещаться относительно тела акселерометра. В этом случае выходной сигнал акселерометра будет соответствовать величине силы, возникающей в петле обратной связи.
ДПЛП, тензодатчики, емкостные преобразователи и кварцевые генераторы применяются для измерений давления в сочетании со специальными устройствами, такими, как манометр Бурдона, полые спиральные кварцевые трубки, которые раскручиваются при заполнении газом. ДПЛП, например, охватывают область измерений от 70 гс/см2 до 7 тс/см2 или больше. Кварцевые осцилляторы обеспечивают самое высокое разрешение и точность. Образцы, выпускаемые фирмой Раroscientific, обеспечивают точность 0,01% и стабильность 0,001%. Фирма Hewlett- Packard выпускает кварцевые манометры с полной шкалой 800 кгс/см2 и паспортным разрешением 0,7 гс/см2.
Для измерения силы и веса часто используются ДПЛП, хотя здесь подходит любой метод измерения перемещений. Полная шкала общедоступного ряда приборов охватывает диапазон от 10 г до 250 т с точностью 0,1%. Для измерения с высокой точностью малых сил в лабораторных условиях используют приборы с торсионным балансированием кварцевой нити, электростатической балансировкой и т. п.
Интересный пример представляет собой гравиметр разработки фирм Goodkind и Warburton. В нем вес сверхпроводящей сферы под действием магнитного поля грубо компенсируется в нуль, а остаточный небаланс снимается с помощью электростатических датчиков и пластин. Такой метод позволяет измерять изменения гравитационного поля до 10-9 и с легкостью наблюдать изменение барометрического давления, связанное с влиянием воздушных масс на локальное гравитационное поле!
Магнитные преобразователи скорости
Прежде всего следует отметить, что датчики перемещений можно использовать для измерения скорости, которая является производной положения по времени. Однако можно и непосредственно проводить измерения скорости, принимая во внимание, что напряжение, индуцируемое в проволочной петле, движущейся в магнитном поле, пропорционально скорости изменения магнитного потока, пронизывающего петлю. Такие устройства для измерения скорости содержат длинную проволочную катушку с магнитным сердечником, движущимся внутри ее.
Чаще всего магнитные датчики скорости используются в промышленных звукозаписывающих и воспроизводящих устройствах: микрофонах (и в обратном варианте — громкоговорителе), кассетных магнитофонах, электромагнитных звукоснимателях, аналоговых записывающих устройствах. Эти датчики обычно дают сигналы очень низкого уровня (несколько милливольт) и требуют своеобразных схемных решений. Чтобы получить высококачественное воспроизведение звука, надо снизить шумы и наводки на 60 дБ и более, т. е. до уровня микровольт. Поскольку в студиях звукозаписи и на радиостанциях эти сигналы проходят по кабелю очень большое расстояние, задача может осложниться.
На следующих рисунках показаны способы усиления слабых сигналов от микрофонов (а) и магнитных звукоснимателей (б).
Динамический микрофон противоположен по принципу громкоговорителю: катушка под действием звукового давления движется в магнитном поле. Выходной импеданс этих приборов 200 Ом, а уровень сигналов от 50 мкВ до 5 мВ (эфф.) для тихой речи и концертного зала соответственно. Всякий соединительный кабель значительной длины представляет собой сбалансированную и экранированную скрученную пару и заканчивается стандартным 3-штырьковым разъемом XLR Cannon для звуковой аппаратуры.
На дальнем конце кабеля производится преобразование сопротивления к уровню около 50 кОм с помощью высококачественного звукового согласующего трансформатора, как показано на рисунок а. Уровень сигнала при этом трансформируется к значениям от 1 мВ до 100 мВ (эфф.), и, как показано, далее сигнал должен усиливаться малошумящим предусилителем. Хотя часто используются предусилители с усилением 40 дБ, но, чтобы получить хорошие параметры при перегрузках, лучше остановиться на усилении 20 дБ. Это особенно справедливо при записи популярной музыки, где певцы часто заканчивают выступление выкриками прямо в микрофон.
Использование сбалансированного 200-омного микрофонного кабеля значительно ослабляет помехи благодаря его способности подавлять синфазные сигналы. Хорошие трансформаторы звуковых частот, предназначенные для такого рода применений, имеют электростатический экран между обмотками, что дополнительно уменьшает чувствительность в ВЧ-наводкам. Если радиочастотные помехи недостаточно подавляются этой схемой, как может быть при наличии близко расположенных передающих станций, можно добавить на входе предусилителя низкочастотный фильтр. Наводки можно подавить, если последовательно входу подключить резистор 1 кОм (или небольшой дроссель) и заземленный конденсатор 100 пФ.
Звукосниматели не нуждаются в сбалансированной линии, так как кабель к предусилителю обычно очень короткий. Стандартный способ — это просто использовать одножильный экранированный провод, конец которого заземляется через 47 кОм, что нужно для получения надлежащей частотной характеристики (рисунок б). Здесь показан также входной фильтр для уменьшения наводок радиочастот, которые являются всеобщей проблемой в городах.
ВЧ-сигналы на входе звуковой аппаратуры ставят специфические задачи, так как вследствие нелинейностей усилителя звуковых частот в диапазоне радиочастот происходит их паразитное детектирование, в результате чего возникают помехи на звуковых частотах и искажения. При конструировании ВЧ-фильтра нельзя делать емкость нагрузки большой (не больше 300 пФ, включая емкость кабеля), иначе изменится частотная характеристика полезного сигнала. Чтобы сохранить уровень шума низким, сопротивление последовательной цепи следует выбирать не более нескольких сотен омов. До некоторой степени большие величины индуктивности можно безбоязненно использовать, поскольку индуктивность самой головки обычно составляет 0,5 Г.
Магнитное поле
Датчик Холла
Точные измерения магнитных полей необходимы в научных исследованиях при наличии измерительной аппаратуры, в которой используются магнитные поля (магнитный резонанс, магнетроны, приборы с магнитной фокусировкой электронов и т.п.), а также в геологии при разведке полезных ископаемых. Для измерений на уровне 1% достаточно датчиков на эффекте Холла. Эффект Холла вызывает появление поперечного напряжения на токонесущем куске материала (обычно это полупроводник), помещенном в магнитное поле. Полная шкала промышленных магнитометров на основе эффекта Холла перекрывает область от 1 Гс (гаусс) до 10 кГс.
Чтобы иметь представление о масштабе этих величин, скажем, что Земля обладает полем примерно 0,5 Гс, в то время как сильный постоянный магнит-несколько сотен гаусс. Холловские магнитометры дешевы, несложны, небольших размеров и надежны.
Различают линейные и дискретные датчики Холла. Выходные сигналы линейных датчиков пропорциональны величине магнитной индукции. Основная сфера применения подобных устройств – измерители напряженности магнитного поля, датчики постоянных и переменных токов, бесконтактные потенциометры, датчики угла поворота и прочие приложения, работающие с непрерывными сигналами.
Когда абсолютное значение индукции магнитного поля не имеет значения, а важно определить лишь факт наличия или отсутствия магнитного поля – используют датчики Холла с дискретным выходом.
Давно известен метод, в котором многовитковая проволочная катушка либо вращается в магнитном поле с некоторой постоянной скоростью, либо перемещается поступательно. При этом измеряется соответственно или индуцированное переменное напряжение, или интегральный ток. Сама по себе катушка очень проста, и для нее имеется стройная электромагнитная теория, но применение таких катушек делает приборы громоздкими, да и выглядят они старомодно.
Сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор
Для измерения очень малых магнитных полей нет ничего лучше СКИПа (SQUID- сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор) — весьма хитроумного устройства на сверхпроводниках, легко измеряющего один квант магнитного потока (0,2 мкГс на 1 см2). С помощью СКИПа можно измерить магнитное поле, наводимое в вашем теле, когда вы пьете стакан холодной воды, если это зачем-либо понадобится. Имеются фантастические устройства, требующие значительного оснащения криогенной аппаратурой, жидким гелием и т. п., и здесь нет необходимости их рассматривать.
Магнитометр
Точные измерения магнитного поля в диапазоне килогаусса лучше всего осуществляются с помощью ЯМР (ядерного магнитного резонанса) — магнитометра. Это устройство, в котором используется прецессия атомных ядер (обычно водорода) во внешнем магнитном поле. Этим методом пользуются физики, и точность измерения без усилий достигается порядка 10-6 или еще лучше. Поскольку выходным сигналом является частота, подходят все методы точного измерения частоты – времени.
В таких приборах, как магнитометры с насыщенным сердечником и магнитные усилители, осуществляется еще один способ измерения магнитных полей. В них феррит возбуждается переменным полем, а наблюдаемый сигнал соответствует наложенному внешнему полю.
Вакуумные манометры
Измерения в вакууме, к счастью, не вызывают затруднений, и вакуум играет немаловажную роль, например, при производстве транзисторов и ИМС, изготовлении тонких пленок и сублимации кофе. Основным измерительным прибором в подобных процессах служит ионизационный манометр Баярда/Алперта, который внешне напоминает вывернутую наизнанку вакуумную лампу-триод:
Горячая нить накала испускает электроны, которые притягиваются к положительно заряженному аноду. На пути к аноду пучок электронов сталкивается с находящимися в трубке молекулами газа и создает положительно заряженные ионы, которые притягиваются к центральному электроду, потенциал которого близок к потенциалу земли. Ионный ток в точности пропорционален молекулярной плотности газа, т. е. давлению. Ионные манометры используют в тех случаях, когда давление (вакуум!) измеряется в пределах от 10-3 до 10-11 мм рт.ст.
единица давления 1 мм рт.ст. называется также торром, нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт.ст.
