Измерение малых изменений сопротивления
Л. – Разумеется, поэтому в этом случае пользуются не омметром. Измерения производят с помощью схемы, наводящей ужас на многих студентов последних курсов, ибо они не понимают простоты – моста Уитстона.
Н. – О, опять этот ужас! Я никогда не понимал этого отвратительного сооружения: четыре уравнения с четырьмя неизвестными…
Л. – Мы поступим иначе. Посмотри на схему, изображенную на рис. 13. Что это такое?
Рис. 13. Мост Уитстона состоит всего лишь из двух делителей напряжения. Напряжение между точками А и В равно нулю, когда мост сбалансирован (Uх = UQ ).
Н. – Здесь нет ничего таинственного: батарея и два делителя напряжения.
Л. – Хорошо, но можешь ли ты назвать величины напряжений UХ и UQ ?
Н. – Хм… давай посмотрим. Кажется, я догадался, если воспользоваться схемой, представленной на рис. 5, то получим:
Л. – Незнайкин, 20 из 20![3] А теперь скажи мне, когда UХ будет равно UQ ?
Н. – Ну разумеется, когда
Л. – Хорошо, а теперь следи за мной. Деля обе части уравнения на Uвх , я получаю:
В этой пропорции произведение крайних членов равно произведению средних членов, следовательно,
X (R2 + Q ) = Q (R1 + X ) или XR1 + XQ = QR2 + XQ .
Из обеих частей уравнения я вычитаю величину XQ и в результате получаю:
XR 2 = QR1
Н. – До сих пор я уследил за тобой…
Л. – Вот и хорошо, а теперь остановись, расчеты закончены. Только что полученное выражение представляет собой условие равновесия (баланса) моста Уитстона, показывающее что в нашей схеме (а она и есть мост Уитстона) UХ = UQ . Это подтверждается тем, что чувствительный вольтметр, включенный между точками А и В , показывает нуль.
|
|
|
Н. – Согласен, мост Уитстона – это очень просто. Но что он даст нам для наших тензометрических преобразователей?
Л. – Представь себе, что R2, Q и X – постоянные резисторы, a R1 – резистор, чувствительный к увеличению длины. Мы начнем с уравновешивания моста путем воздействия на резисторы R2 и Q . Тогда включенный между точками А и В вольтметр покажет нуль. Если сопротивление резистора изменится хотя бы и очень немного, напряжения UХ и UQ перестанут быть равными и стрелка вольтметра отклонится и возможно до самого края шкалы, если прибор очень чувствительный.
Н. – Изумительный метод! И до чего практичен этот резистор R1, чувствительный к механическому натяжению проволоки, из которой он сделан!
Влияние температуры
Л. – Это было бы слишком хорошо; резистор чувствителен к температуре по крайней мере в такой же степени, как и к воздействию силы. Но в этом случае мост Уитстона проявил себя еще лучше; в X вводится идентичный R1 , но не подвергающийся механическому напряжению резистор. Его размещают рядом с резистором R1 (рис. 14), чтобы он находился при той же температуре, но приклеивают к детали только одним концом (чтобы он не испытывал воздействия механических усилий). Изменение температуры одинаково сказывается на R1 и X и не нарушает равновесие моста; и только удлинение проволоки резистора R1 может вывести мост из равновесия.
|
|
|
Рис. 14. Тензометрический преобразователь R1 наклеен на исследуемую деталь и подвергается тем же, что и деталь, деформациям. Резистор X приклеен только одним концом, поэтому он не подвергается воздействию силы, но находится в тех же температурных условиях, что и R1 , это позволяет скомпенсировать вредное влияние температуры на работающий преобразователь R1 .
Н. – Чертовски хитрый метод! Но досадно, что резистор X служит лишь для компенсации.
Л. – Можно сделать еще лучше. В рассмотренном ранее примере с металлическим стержнем верх стержня растягивается, а низ сжимается. Если мы укрепим (рис. 15) тензометрические преобразователи R1 и X один сверху, а другой снизу, то температурное воздействие, как и раньше, будет скомпенсировано (если только верх стержня не нагрет больше, чем его низ), но увеличение сопротивления R1 (удлиняется) в сочетании с уменьшением сопротивления X (сжимается) повысит чувствительность прибора. Можно было бы еще повысить чувствительность, если вместо резисторов R2 и Q использовать тензометрические преобразователи и подвергнуть их воздействию растяжения и сжатия, наклеив их для этой цели в соответствующих местах исследуемой детали.
|
|
|
Рис. 15. При исследовании изгибающейся балки можно заставить компенсирующий тензометр X более активно участвовать в измерении: его наклеивают с другой стороны балки и он подвергается сжатию, а тензометр R1 – растяжению.
Вибрирующие струны
Н. – Но признайся, Любознайкин, наверное иногда при использовании твоих тензометрических преобразователей приходится сталкиваться с определенными трудностями? Я имею в виду те случаи, когда измеряют механические напряжения (несомненно с помощью тензометрических преобразователей) на больших плотинах, где измерительные приборы сосредоточивают в одном месте, относительно удаленном от точек, где нужно измерить напряжения. При большой длине проводов температурные воздействия и различные утечки исказят все результаты.
Л. – Рассуждаешь ты абсолютно правильно. В слишком неблагоприятных условиях используют другое свойство натянутой проволоки: изменение ее резонансной частоты при изменении силы натяжения.
|
|
|
Н. – Каким образом? Делают колебательный контур из проволоки и конденсатора?
Л. – Ты не совсем угадал. Я говорю о механическом резонансе этой проволоки. Ты, конечно, видел и слышал, как скрипач настраивает свой инструмент: от натяжения струны изменяется нота. В нашем акустическом тензометр и чес ком методе (так называют технику измерения растяжений и сжатий) струна закрывается защитной металлической трубкой Т и помещается между полюсами магнита М (рис. 16).
Рис. 16. Натянутая вибрирующая струна помещена между полюсами магнита в защитной трубке Т . Под воздействием силы изменяется частота собственных механических колебаний струны, что позволяет измерить приложенную силу.
Струна может вибрировать в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля, когда по ней пропускают переменный ток, и тогда легко, даже издалека, измерить ее резонансную частоту. Можно, например, послать в струну очень короткий импульс тока, создающий эффект удара молоточка по струне пианино. Струна начинает вибрировать, но ее колебания затухают. При движении струны между полюсами магнита в ней возникает напряжение, частоту которого и измеряют. Это измерение легко произвести и на большом расстоянии. Таким образом, натянув струну между двумя точками, например, какой‑либо балки, мы можем легко обнаружить любое изменение расстояния между этими двумя точками.
Н. – Таким образом мы располагаем еще одним преобразователем для измерения силы. Я полагаю, что на этом серия преобразователей закончилась?
Еще об измерении силы
Л. – Далеко не так. Попутно я назову тебе конденсатор, подвижная или деформируемая обкладка которого под воздействием приложенной силы может в большей или меньшей степени отходить от другой обкладки, изменяя тем самым емкость конденсатора. Можно также использовать изменение расстояния между двумя соединенными последовательно катушками: изменение коэффициента связи вызывает изменение самоиндукции всего устройства. Используя эти типы преобразователей, можно сделать генератор, частота которого модулируется изменяемым элементом. Стоит также назвать пьезоэлектрические кристаллы, в которых при механическом воздействии возникает электрическое поле. Из кристаллического материала (керамика, кварц или специальная соль) вырезают по правильному направлению кристалла пластинку и металлизируют ее с обеих сторон; когда такой конденсатор подвергают механическим воздействиям, на его обкладках появляется напряжение.
Н. – Я думаю, что с присущим тебе юмором ты сейчас объявишь мне, что все перечисленное тобой, от чего у меня уже начинает вспухать голова, всего лишь ничтожная часть перечня преобразователей, чувствительных к механическим воздействиям.
Л. – Незнайкин, когда‑нибудь ты должен стать пророком‑ясновидцем. О механических преобразователях можно было бы написать целые тома, но мне кажется, что ты начинаешь с беспокойством поглядывать на свои часы. Это несомненно связано с Поленькой и меня совершенно не удивляет.
Н. – Я вижу, что ты тоже большой мастер читать чужие мысли, и говорю тебе «до завтра».
Беседа третья
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 205; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!