Авиационные приборы и системы (стр. 24 )

, (4.21)

где a – радиус мембраны; f – частота в Гц; h – толщина мембраны; Р – давление в мбарах. Как и в струнном датчике устанавливаются непрерывные колебания, так как с выхода усилителя постоянно поступают сигналы на вход возбуждающего элемента 1.

Американская фирма Бендикс (Bendix Corp.) выпускает мембранный вибрационно-частотный датчик по схеме рис. 4.24 со следующими характеристиками: погрешность – не более 0,01 % от давления; гистерезис 0,1 мм рт. ст.; диапазон абсолютного давления от 0 до 750 мм рт. ст.; частота выходного сигнала от 2,5 до 5, кГц.

На рис. 4.25 представлена принципиальная схема вибрационно-частотного датчика давления с цилиндрическим резонатором.

Рис. 4.25. Принципиальная схема частотного датчика давления с цилиндрическим резонатором: 1 – опорный вакуум; 2 – цилиндр; 3 – катушка возбуждения; 4 – элементы системы самовозбуждения; 5 – катушка съема сигнала; 6 – давление; 7 – корпус; 8 – усилитель; 9 – выход; 10 – основание

Принцип действия датчика основан на зависимости собственной частоты упругого элемента от величины его внутреннего механического напряжения, вызванного действием измеряемого давления. Резонатор 2 расположен внутри герметичного цилиндрического корпуса 7, которые вместе закреплены на общем основании 10. Такой датчик обеспечивает измерение статического или полного давления. Измеряемое давление Рст подается во внутреннюю полость резонатора. Резонансные колебания стенки резонатора возбуждаются при помощи индуктивного преобразователя (рис. 4.22). В таком же преобразователе съема наводится небольшая электродвижущая сила, этот сигнал поступает на усилитель и по каналу обратной связи подается на катушку возбуждения. Устанавливаются незатухающие колебания стенок цилиндрического резонатора на собственной частоте, величина которой зависит от измеряемого давления [37]

, (4.22)

где Е – модуль упругости материала цилиндра; m – приведенная масса в кг; δ – толщина стенки в см (0,01 – 0,03 см); l – длина цилиндра в см (3 – 5 см); b – диаметр цилиндра в см (1,5 – 2 см); Р – давление в кг/см2.

Резонатор изготавливается по специальной технологии из высококачественных сталей. Приведенные здесь формулы весьма ориентировочные. Сверхточные датчики давления изготавливаются по специальным технологиям, которыми обладают немногие фирмы в мире. Датчиками давления по схеме рис. 4.25 с шестидесятых годов занимается английская фирма Солатрон (Solatron). В настоящее время она выпускает серию таких датчиков для СВС гражданских и военных самолетов. Базовый датчик этой фирмы типа NT 3082 (самолет Торнадо) имеет следующие характеристики: погрешность – ± 0,01 % от давления, диапазон давлений (Рп) – от 0 до 2600 мм рт. ст., гистерезис – 0,001 – 0,005 % от диапазона, выходной сигнал – цифровой код, напряжение питания – ± 28 В, потребляемая мощность – 1 Вт, масса – 0,24 кг, габаритные размеры – 62,8 (длина), 24,5 (диаметр).

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). При этом знак заряда меняется при замене сжатия натяжением. Если электрическое поле меняет знак, то и деформация меняет знак. Такими свойствами обладают материалы кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль.

При воздействии электрического поля по поверхности пьезоматериала распространяются волны Рэллея со скоростью v на глубине материала по направлению Y величиной, равной длине волны λ (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Волны Рэллея в пьезокристалле

При постоянном воздействии электрического поля на хорошо отполированной поверхности пьезоматериала образуются поверхностные акустические волны (ПАВ). Для возбуждения ПАВ на поверхность материала наносят встречно включенный преобразователь (ВШП), в качестве приемного элемента наносится такой же ВШП на некотором расстоянии l от первого (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Принципиальная схема возбуждения и съема ПАВ: 1 – элемент возбуждения; 2 – элемент съема сигналов; lо – шаг ВШП; l – расстояние между центрами ВШП

Два ВШП образуют два электрода. При шаге lo = λ в первом ВШП возбуждаются незатухающие колебания по схеме самовозбуждения, а второй ВШП воспринимает эти колебания.

На выходе второго ВШП образуется напряжение электрического сигнала с частотой

, (4.23)

где v – скорость распространения волны Рэллея, для кварца v = 3159 м/с, величина волны λ = lo (условие возбуждения). При lo = 10 мкм (что достижимо)

Гц ≈ 300 МГц.

Так как под действием давления мембрана деформируется, то λ = lo = f (P). Таким образом, выходной сигнал с элемента 2 есть функция измеряемого давления

. (4.24)

Компенсационный датчик давления

Принцип действия компенсационного датчика давления основан на методе силовой компенсации входного воздействия [39]. Измеряемое давление преобразуется в силу с помощью сильфона, которая сравнивается с эталонной силой, хранящейся в элементе основной обратной связи датчика (рис. 4.28).

Рис. 4.28. Структурная схема датчика давления, построенного на схеме силовой компенсации: 1 – чувствительный элемент; 2 – нуль-орган; 3 – усилитель с двигателем; 4 – основная обратная связь (пружина); 5 – выходное устройство

В связи с тем, что при измерении давления имеют дело с силами, то компенсационную схему называют схемой силовой компенсации. Возможно осуществление множества разновидностей схем и конструкций, построенных на данной схеме, однако все они содержат элементы общего назначения: чувствительный элемент – сильфон 1, нуль-орган 2, усилитель 3, обратную связь (эталон) 4, выходное устройство 5.

Если сравнить структурную схему компенсационного датчика со структурной схемой позиционного датчика давления (рис. 4.29), то увидим принципиальную разницу между ними. В компенсационной схеме большее число элементов охвачено основной обратной связью. Полное уравнение схемы рис. 4.28 имеет вид [39]

. (4.25)

Установившееся значение выходной величины y1О имеет вид (t → ∞)

. (4.26)

Полное уравнение движения по схеме рис. 4.29 имеет вид

, (4.27)

k22

Рис. 4.29. Структурная схема электромеханического датчика давления, построенного на схеме с использованием хода чувствительного элемента 1 – чувствительный элемент, 2 – вторичный преобразователь, 3 – усилитель с двигателем, 4 – основная обратная связь (электрическая), 5 – выходное устройство

а установившееся значение выходной величины y2О:

. (4.28)

Сравнивая уравнения (4.26) и (4.28), находим свойство схемы силовой компенсации, заключающееся в том, что в ней на результат измерения влияет меньшее число элементов. Параметры нуль - органа в линейном приближении не оказывают влияния на точность измерения. Практически это свойство тем точнее реализуется, чем больше модель датчика приближается к линейной. В идеальном случае это значит, что в измерительной цепи датчика не должно быть элементов с зоной нечувствительности, а замкнутая цепь следящей системы должна быть астатической.

Устройство нуль - органа работает практически с незначительными перемещениями (в одной точке) в пределах своей характеристики. В связи с этим элементы следящей системы можно подобрать более точно, и работает она более точно. Это второе свойство компенсационной схемы.

В схеме же рис. 4.29 характеристики вторичного преобразователя 2 существенно влияют на качество измерения, как было показано выше.

В позиционной схеме рис. 4.29 чувствительный элемент выполняет очень сложную функцию – принимает информацию об изменении давления и преобразует ее в перемещение нужной величины. Он является сложным преобразователем и движителем одновременно. От него требуются характеристики: высокая чувствительность, отсутствие гистерезиса, стабильность во времени.

Функции чувствительного элемента в компенсационной схеме проще – преобразовывать давление в силу, не совершая значительных перемещений рабочего центра. Идеально – это поршень без трения. Такие задачи, как передавать информацию в решающее устройство в виде перемещения, стабильность во времени, иметь малый гистерезис в этой схеме переносится на элемент обратной связи (механическая пружина, электромагнит). В этом заключается третье свойство компенсационной силовой схемы.