Первичные механические преобразователи

Мы рассматриваем датчики, формирующие электрические сиг­налы, но бывают ситуации, когда применить датчик, непосред­ственно преобразующий какой-либо неэлектрический параметр в электрический сигнал, невозможно или нецелесообразно. Тогда используют промежуточное устройство, преобразующее этот па­раметр в другой, тоже неэлектрический, но более удобный для дальнейшего преобразования в электрический сигнал.

81

Промежуточные преобразователи линейных перемещений. Ли­нейные перемещения в диапазоне от долей миллиметра до десят­ков сантиметров достаточно просто преобразуются в электриче­ские сигналы датчиками перемещения, которые рассмотрены да­лее. Однако точное преобразование малых перемещений часто ог­раничено узким рабочим диапазоном или низкой чувствительно­стью этих датчиков, а при больших перемещениях размеры датчи­ков тоже оказываются большими.

В то же время существуют простые механические преобразова­тели линейного перемещения в угловое с высокой чувствитель­ностью и линейной функцией преобразования. Они используют­ся, например, в индикаторах малых перемещений часового типа.

Угловое перемещение (вращение) обладает важным свойством: увеличение угла поворота до любых значений не ведет к увеличе­нию размеров датчика, оно не связано с размерами вращающего­ся тела. Угол поворота ограничен только конструкцией преобра­зователя и может быть как очень малым, так и очень большим при неизменных размерах устройства.

В преобразователях линейного перемещения в угловое имеется шток с зубчатой линейкой, контактирующий с зубчатым колесом (рис. 4.1). При перемещении штока происходит поворот зубчатого колеса на угол, пропорциональный перемещению. В индикаторах часового типа используют цепочку соединенных друг с другом зубчатых колес с разным количеством зубьев, благодаря чему даже очень малое перемещение (например, на несколько сотых милли­метра) приводит к повороту последнего в цепочке зубчатого ко­леса на угол в десятки градусов.

Аналогично работает преобразователь перемещения компью­терной мыши, но в нем вместо штока используется шарик, кото­рый при перемещении по поверхности вращает прижатую к нему ось оптического датчика угла поворота.

Такие преобразователи при малых размерах имеют очень ши­рокий рабочий диапазон, в котором сохраняется одна и та же небольшая абсолютная погрешность (менее 0,01 мм в индикато­рах часового типа). Это позволяет использовать один преобразова­тель для точного измерения как очень малых, так и очень боль­ших перемещений.

Промежуточные преобразователи силы и давления. Сила и дав­ление способны деформировать тела, т.е. изменять их форму и размеры. Если эта деформация упругая, т.е. тело после прекращения воздействия

возвращается к прежней форме и размерам, то кое тело может использоваться в качестве преобразователя силы и давления в деформацию, которая выражается в линейном или угловом перемещении частей тела. Такие преобразователи называются механическими упругими препбразователями.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    И

Простейшие преобразователи силы такого    у                                                                                                                                                                          "

типа — пружина или стержень, к которым                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     ^х

приложена сила (рис. 4.2). Пружина под действием силы растягивается или сжимается, и перемещение ее незакрепленного конца может быть преобразова­но в электрический сигнал рассмотренными далее датчиками пе­ремещения. Стержень тоже растягивается или сжимается, но по­скольку его деформация обычно очень мала, удобнее использо­вать для дальнейшего преобразования датчики не перемещения, а деформации, которые воспринимают очень малые смещения уча­стков поверхности деформированного тела и преобразуют их в сигналы.

Как известно, при ускоренном движении тела оно давит на опору с силой, пропорциональной ускорению, поэтому преобра­зователи силы могут использоваться и для измерения ускорения.

Преобразователем давления жидкости или газа может служить полый сосуд с расположенной в торце мембраной, которая испы­тывает давление по всей своей поверхности (рис. 4.3, а). Результа­том воздействия будет прогиб мембраны, т.е. деформация ее по­верхности, которая затем преобразуется в электрический сигнал датчиком деформации или перемещения.

83

Деформируемым в зависимости от давления элементом могут быть и гофрированные стенки сосуда (такой сосуд называют силь-фоном) (рис. 4.3, б). В этом случае давление приводит к растяже­нию стенок и линейному перемещению торца сильфона. Чувстви­тельность преобразователя давления можно увеличить заменой сильфона на спиральную трубку, запаянную на конце (рис. 4.3, в). Под действием давления трубка раскручивается вокруг оси спи­рали. Выходной величиной может быть как линейное, так и угло­вое перемещение конца трубки.

Промежуточные преобразователи температуры. Для измерения температуры нередко используют устройства, преобразующие ее в линейное или угловое перемещение. Для этого применяют плоские или спиральные пружины, изготовленные из биметалла (рис. 4.4).

Биметалл — это двухслойный лист, слои которого состоят из металлов с резко отличающимися температурными коэффициен­тами расширения. При увеличении температуры один из слоев уд­линяется больше, чем другой. Поскольку слои спаяны, происхо­дит изгиб пластины или закрутка спирали. Входной параметр это­го преобразователя — температура, выходная величина — линей­ное или угловое перемещение. При этом деформация оказывается пропорциональной изменению температуры, т.е. функция преоб­разования практически линейная. Такой преобразователь приме­няется, например, в регуляторе температуры электрического утюга или в качестве указателя температуры в духовке газовой плиты.

Рассмотренные преобразователи силы, давления и температу­ры просты, имеют малые размеры, погрешность преобразования составляет обычно около 1 %.