Резонаторные измерительные преобразователи

   Резонаторные ИП – наиболее обширная группа частотных преобразователей, имеющих колебательную систему с частотой, перестраиваемой под действием измеряемой (преобразуемой) величины.

   В свою очередь резонаторные ИП делятся на преобразователи с электромагнитными резонаторами в виде LC -контура и преобразователи с механическими резонаторами.

   Преобразователи с LC -контуром строятся на основе автогенераторов, частотой которых управляет изменение параметра цепи (L или C). Структурная схема такого преобразователя (рис. 4.1) содержит первичный измерительный преобразователь ПИП, воспринимающий действие физической величины x, и генератор Г. В качестве первичного измерительного преобразователя могут использоваться индуктивные или емкостные преобразователи.

Собственная частота LC -цепи определяется по формуле

.

   Если L (или С) контура пропорциональна измеряемой (преобразуемой) величине x, то частота f в соответствии с последней формулой будет непропорциональна x. Например, для ПИП с изменением ширины зазора δ (см. 2.1.4, 2.1.5) зависимость частоты на выходе частотного преобразователя может быть выражена как

,

где  – начальная частота;  – начальная ширина зазора;  – изменение  δ, вызванное входным воздействием.

   Нелинейность при этом характеризуется величиной [13]. При использовании дифференциального первичного измерительного преобразователя , что более чем на порядок меньше погрешности при использовании недифференциального преобразователя.

   Схема дифференциального частотного ИП содержит 2 LC -генератора, причем в LC-контур каждого из них включается одна из частей дифференциального индуктивного (или емкостного) преобразователя [13]. Частоты генераторов изменяются одинаково, но с разными знаками приращения. Выходы генераторов подключаются к смесителю, на выходе которого получается разность частот .

   Перспективным в отношении повышения точности частотных ИП является использование механических резонирующих систем. Наиболее известными из этой группы ИП являются так называемые струнные преобразователи. В этих преобразователях для преобразования входного воздействия в частоту электрических колебаний используется механический резонатор – струна, частота собственных колебаний которой связана с входной механической силой натяжения F следующей зависимостью:

,

где m и l – масса и длина струны соответственно. Отметим, что частота f не зависит от материала струны.

L

C

r

U 1 У       U 2 f

R 1            R 2

В качестве материала для струны используют вольфрам, позволяющий получать большие начальные натяжения, бериллиевую бронзу, углеродистую сталь и некоторые другие материалы. Метод возбуждения колебаний зависит от магнитных свойств материала струны. Для струн из немагнитного материала используется магнитоэлектрический метод, заключающийся в пропускании переменного тока по струне, находящейся в поле постоянного тока (рис. 4.2). Возникающее при этом магнитное поле струны взаимодействует с поперечным полем магнита, в результате чего появляется сила, заставляющая колебаться струну. Для получения незатухающих колебаний струна включается в струнный генератор (рис. 4.3). Здесь R – сопротивление струны; R ₁, R ₂, R ₃ – постоянные резисторы; У – усилитель.

Условия появления незатухающих колебаний:    и коэффициент усиления усилителя , где r – сопротивление струны на постоянном токе;  – параметр эквивалентной схемы замещения струны (рис. 4.4). В этой схеме ; , где B – индукция в зазоре постоянного магнита; l и S – длина и площадь поперечного сечения струны; – напряжение в материале струны; p – коэффициент трения струны о воздух; ρ – плотность материала струны.

Такие преобразователи работают в диапазоне частот 100…10 000 Гц. Ток через струну 20…100 мкА. Температурная погрешность не более 0,1 % на 10 ºС.

Основной недостаток струнных генераторов – нелинейная зависимость частоты от силы натяжения. Для уменьшения погрешности линейности используют дифференциальный струнный преобразователь, в котором одна струна работает на растяжение, а другая на сжатие.