Методы измерения малых перемещений реферат

Обновлено: 05.07.2024

Для измерения линейных перемещений широко применяют механические приборы-прогибомеры с проволочной связью и контактные. Увеличение перемещений для возможности визуального наблюдения с погрешностью до 0,001 мм достигается за счет применения шестерен с разным числом зубьев (рис. 1.10).

Прогибомеры с проволочной связью отличаются тем, что в качестве связи прибора с испытываемой конструкцией используется стальная проволока диаметром 0,25—0,4 мм. Проволока прикрепляется к испытываемой конструкции, а на свободном конце ее подвешивается груз Р — 1. 3 кг. Прогибомер устанавливается с помощью струбцины на специальной опоре (штативе) под исследуемой конструкцией, а иногда и непосредственно на ней.

Наиболее распространены прогибомеры конструкции Н. Н. Максимова (ПМ-3), Н. Н. Аистова (ПАО-6).

Прогибомер Аистова представляет собой систему шестерен, помещенных в корпус 1 (рис. 1.10, а). Нить 3 сп:г- вает испытываемую конструкцию и груз 4. Для исключения проскальзывания по ролику нить его полностью охватывает. Шестерня с барабаном 2 находится в зацеплении с малой шестерней 5, которая в свою очередь через большую шестерню передает вращение шестерне со стрелкой 7 большой шкалы. Прогибомер имеет цену деления 0,01 мм при максимально допустимом измеряемом перемещении без перестановки 100 км. По двум малым шкалам отсчитывают перемещения в миллиметрах и сантиметрах.

Прогибомер Максимова (рис. 1.10, б) аналогичен по принципу действия прогибомеру Аистова, но его цена деления 0,1 мм. Кроме того, большие перемещения фиксируются не стрелкой, а барабаном со шкалой, на котором отмечается число полных поворотов стрелки. Шкала барабана видна в прорези на основной шкале стрелки.

Рис. 1.10. Механические и электрические приборы для замера линейных перемещений:

а — схема прогибомера Н. Н. Аистова ПАО-5; б — схема прогибомера Н. Н. Максимова ПМ-2; в — схема индикатора часового типа; г — схемы электромеханических измерителей перемещений; 1 — корпус; 2 — барабан; 3 — нить (проволока); 4 — груз-цилиндр; 5 — шестерня со стрелкой; 6 — стрелка, показывающая перемещения в миллиметрах; 7 — циферблатная стрелка; 8 — шкала; 9 — шток; 10 — нарезка на штоке; 11 — система шестерен; 12 — тензорезисторы; 13 — упругий элемент; 14 — кронштейн

Для измерения небольших перемещений (2—10 мм) используют индикаторы часового типа (рис. 1.10, б), устанавливаемые на неподвижной опоре с упором подвижного измерительного стержня в испытываемую конструкцию, или закрепляют на испытываемой конструкции с упором подвижного стержня в какую-нибудь подвижную точку. Поэтому индикаторы называют еще и контактными прогибомерами.

Подвижный измерительный стержень 9 индикатора передает перемещение через нарезку 10 на шестерни 11, которые увеличивают угловое перемещение. Для исключения люфта в корпусе индикатора смонтирована дополнительная шестерня с пружиной, которая поджимает шток 9 в крайнее положение. При передвижении стержня на 1 мм стрелка совершает один полный оборот, поэтому при 100 делениях шкалы цена одного деления равна 0,01 мм. Имеются индикаторы с ценой деления 0,002 и 0,001 мм, но у них перемещение стержня составляет 1—2 мм. Некоторые типы индикаторов имеют подвижную шкалу, вращением которой можно совместить положение стрелки с нулевым делением шкалы. Это помогает определять дополнительные перемещения без лишних расчетов.

Рис. 1.11. Механические приборы для замера угловых перемещений: а, б — клинометры Стоппани; в — Н. Н. Аистова; г — прибор для гидростатического нивелирования; д — устройство, использующее натянутую нить; / — уровень; 2 — станина; 3 —« микрометрический винт; 4 — пружина; 5 — струбцина; 6 — опоры; 7 — измерительная база; 8 — муфты; 9 — отвес; 10 — сосуд для воды; 11 — шланги; 12 — трубки; 13 — нить; 14 — груз; 15 — замеряемые точки; 16 — отверстие в стене

При обработке показаний прогибомеров перемещение точки определяется по формуле х=к(с₁ — с),

где с-у — с — разность отсчетов по шкале до с и после с_х приложения нагрузки; к — цена деления шкалы.

Для измерения перемещений могут служить тензорези- сторные преобразователи перемещений, представляющие собой упругие элементы 13, 14, снабженные тензорезисторами 12, которые деформируются под действием усилий от перемещения стержня 9 (рис. 1.10, г). Перемещения можно измерять также емкостными, индуктивными и индукционными преобразователями. В емкостных преобразователях используется чаще всего зависимость расстояния между пластинами конденсатора и его емкостью. Индуктивные преобразователи построены на зависимости индуктивного сопротивления катушки, питаемой переменным током, от перемещения деталей магнитопровода. Преобразователи перемещений применяют не только для замера перемещений, но и как измерительные элементы силоизмерителей, измерителей (датчиков) давления.

Для замера угловых перемещений применяют клинометры, в которых используются уровень или отвес (рис. 1.11). Клинометрами измеряются тангенсы углов поворота, но при малых углах тангенсы можно приравнять к величине углов в радианах. Допускаемая при этом погрешность не выходит за пределы точности измерений. При испытании строительных конструкций наибольшее применение получили клинометры Стоппани, Аистова и рычажные клинометры.

Клинометр Стоппани основан на применении высокочувствительного уровня 1, который одним концом шарнирно закреплен на станине 2 и поджат снизу пружиной 4 к микрометрическому винту 3, ось которого перпендикулярна оси уровня. Микрометрический винт снабжен диском (лимбом) с 360 делениями. Цена каждого деления 1". Станина с уровнем может быть снабжена струбциной 5 для крепления клинометра (см. рис. 1.11, а). Имеются модификации клинометра Стоппани: переносной клинометр, устанавливаемый опорами 6 на измерительную базу 7 с отшлифованными муфтами 8 (рис. 1.11, б), и клинометр, устанавливаемый на любую поверхность.

После установки клинометра и приведения пузырька уровня в нульпункт производят первый отсчет по лимбу, затем, после поворота конструкции, пузырек снова приводят в нульпункт и производят второй отсчет. Наклон измерительной платформы к горизонту высчитывают как разность двух отсчетов по лимбу.

В клинометре Аистова КАЧ (рис. 1.11, в) использован отвес 9, который отклоняется при измерении угла наклона корпуса клинометра. Степень отклонения фиксируется микрометрическим винтом, на котором имеется диск с делениями и указателем для взятия отсчетов. Работают с

клинометром следующим образом: после установки клинометра на конструкцию в вертикальном положении вращением винта замыкают электрическую сеть до появления сигнала и отмечают при этом отсчет с_г на диске, затем винтом размыкают цепь. После нагружения конструкции вновь винтом замыкают цепь и берут новый отсчет с₂. Угол поворота вычисляют по формуле

Для контроля горизонтальности поверхности отдельных точек испытываемой конструкции может служить гидростатическое нивелирование, а также метод натянутой нити. Гидростатическое нивелирование (рис. 1.11, г) основано на принципе сообщающихся сосудов. Превышение точек проверяется по уровню стояния жидкости в трубках 12, соединенных с сосудом 10 шлангами 11 через тройники. Сосуд 10 служит для сохранения постоянного уровня в системе при взаимных смещениях трубок. Способ гидростатического нивелирования применяется обычно в условиях отсутствия прямой видимости, когда не могут использоваться геодезические методы. Способ натянутой нити (рис. 1.11, д) может быть применен для контроля горизонтальности замеряемых точек 15. Для этого над точками 15 через отверстия 16 протягивается стальная нить 13, натяжение которой поддерживается грузом 14. Перемещения точек относительно нити замеряются линейкой.

хода интерферирующих пучков; l - длина волны излучения.

Расстояние от нуля интерферометра О до измерительного отра-

где P - порядок интерференции, f - фаза интерференционного сигна-

ла I, определяемого формулой (1).

2 Описание принципа работы и оптических схем интерферометров со

счетом полос.

Метод счета полос заключается в измерении (счете) числа пе-

риодов изменения интерференционного сигнала при изменении ГРХ.

Для предотвращения ложного счета вследствие механических вибраций

и турбулентности воздуха осуществляют реверсивный счет, при кото-

ром определяют знак каждого счетного периода приращения порядка

Применяют два способа реверсивного счета полос.

2.1 Интерферометр со счетом полос на основе квадратурных сигналов

Квадратурными называют два сигнала, содержащие информацию об

одной и той же ГРХ, но сдвинутые по фазе на p/2:

Фиксируя пересечения сигналами (3) среднего уровня (рис. 2б),

измеряют приращения ГРХ c дискретой l/4. Знак каждой дискреты оп-

ределяют по фазовому сдвигу между сигналами, который в зависимости от направления изменения ГРХ равен p/2 или 3p /2.

На рис. 2а изображена схема ЛИС, где квадратурные сигналы

получают оптическим способом. Плоскость поляризации излучения од-

ночастотного лазера 1 составляет угол 45 0 с плоскостью чертежа.

Фазовая пластина l/8 - позиция 3, одна из собственных осей кото-

рой лежит в плоскости чертежа, вносит в интерферометр, образован-

ный светоделительной призмой-куб 2 и отражателями 4, разность

ГРХ, равную l /4, для составляющих излучения лазера параллельной и

перпендикулярной плоскости чертежа. Поляризационная призма-куб 6

разделяет эти составляющие. В результате интерференционные сигна-

лы I1 и I2 на фотоприемниках 6 сдвинуты по фазе на p/2.

Информационный спектр сигналов (3) содержит постоянные сос-

тавляющие I1₀ и I2₀ . Подобные ЛИС называют системами без переноса

спектра сигнала или системами "постоянного тока".

Метод счета полос на основе квадратурных интерференционных

сигналов не ограничивает скорость изменения и максимальное значе-

ние диапазона измеряемых расстояний. Время измерения в ЛИС, рабо-

тающих на основе этого метода, определяется только пропускной

способностью электронного тракта и может составлять сотые доли

микросекунды (скорость счета полос 100 МГц), что при дискpете l/4

соответствует скорости приращения ГРХ 16 м/с. Измеряемые расстоя-

ния превышают десятки метров. Минимальную погрешность измерения

расстояния определяет дискрета счета, чаще всего равнаяl/8.

2.2 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции

На рис. 3а приведен пример схемы ЛИС. Двухчастотный лазер 1

излучает две волны с частотами n1 и n2, одна из которых поляризо-

вана параллельно, а другая - перпендикулярно плоскости чертежа.

Светоделитель 2 отклоняет часть излучения каждой частоты для фор-

мирования опорного сигнала I₀ . Поляризационная призма-куб 3 раз-

деляет составляющие излучения разных частот и направляет их в

разные плечи интерферометра. Пластины l/4 - позиция 7, оптические

оси которых составляют угол 45 0 с плоскостью чертежа, меняют сос-

тояние поляризации дважды прошедших пучков на ортогональное. По-

ляризационная призма-куб 3 обеспечивает суперпозицию пучков,

возвращенных отражателями 4 и 5, в направлении I₁ . После поляри-

заторов 6, ось пропускания которых составляет угол 45 0 с плос-

костью чертежа, в результате интерференции пучков с разными час-

тотами образуются опорный I₀ и измерительный I₁ сигналы биения.

Поскольку номенклатура двухчастотных лазеров и значения раз-

ности частот, которые они обеспечивают, ограничены, в качестве

источника излучения часто используют одночастотный лазер, сдвигая

частоты ортогональных составляющих его излучения акустооптически-

ми модуляторами, которые устанавливают на входе, выходе или в од-

ном из плечей интерферометра . В этом случае опорный сигнал

I0 может быть получен непосредственно из модулирующих сигналов,

подаваемых на акустооптические модуляторы.

Частота частотной модуляции, аналогично частоте фазовой модуляции, ограничивает время измерения . Однако при использовании акустооптических модуляторов она может быть установлена достаточно большой, чтобы этим ограничением можно было пренебречь. Тогда время однократного измерения фазы определяется временем задержки фазоизмерительного устройства и составляет для современных ЛИС около 10 мкс .

Так как ЛИС на основе частотной модуляции обеспечивают время измерения на порядок меньше, чем ЛИС на основе фазовой модуляции,

допустимые скорости изменения ГРХ в них на порядок выше. Эти ЛИС

считаются в большей степени подходящими для высокоточных измерений в реальном масштабе времени . При равной погрешности они имеют несколько больший диапазон измерения ГРХ.

На основе методов прямого измерения фазы разрабатывают ЛИС для измерения медленно меняющихся во времени и незначительных по величине расстояний с высокой точностью. Основная область применения таких ЛИС - контроль профиля и шероховатости поверхностей, в том числе оптических. Другая обширная сфера применения - интерференционные датчики физических величин, изменение которых можно преобразовать в изменение еометрической или оптической разности хода интерферирующих лучей (давление и влажность атмосферы, температура, напряженность электрического и магнитного полей и др.).

Частотную модуляцию интерференционного сигнала обеспечивают путем суперпозиции двух волн разной оптической частоты. В этом случае закон изменения интенсивности имеет вид

где I1 и I2 - интенсивности, n1 и n2 - оптические частоты, f1 и f2 - фазы интерферирующих волн.

Все переменные составляющие сигнала (4), кроме последней, вследствие высокой частоты не могут быть детектированы фотоприемником непосредственно.

Выбирая близкие оптические частоты интерферирующих волн, получают частоту fb=n1-n2 последней составляющей, удобную для обработки в фотоэлектронной системе. Эту частоту называют сигналом биения.

Особенность сигнала биения в том, что даже в отсутствие изменения ГРХ между интерферирующими волнами интенсивность изменяется по гармоническому закону. Если одна из интерферирующих волн проходит дополнительный геометрический путь 2L, то сигнал биения получает дополнительный фазовый сдвиг f=4pL/l, эквивалентный фазе немодулированного интерференционного сигнала на длине волны l при

ГРХ интерферирующих лучей, равной 2L.

Чтобы определить ГРХ, измеряют фазовый сдвиг (рис. 3б)

между опорным и измерительным сигналами биения:

где A₀ и A₁ - их амплитуды.

Вместо непрерывного измерения разности фаз между сигналами

подсчитывают число биений каждого из них N0 и N1 и отслежи-

вают разность DN=N1-N0 (рис. 3в). Если ГРХ в интерферометре не

меняется, частоты опорного и измерительного сигналов равны

f₀ =f₁ =u1-u2, и DN=0. При движении отражателя 4 частота биения

измерительного сигнала становится равной f₁ =u1-u2+Du, где

Du=Df(t) /Dt. Изменение ГРХ равно 2DL=DN*l=(N1-N0)*l.

Знак при Dn зависит от направления движения отражателя 4.

Связь между знаками DL и Du остается однозначной до тех пор, пока

[Du] 2 /(4pDl)) DL определяется только погрешностью Df. При измерении больших расстояний

(L>>Dfl 2 /(4pDl)) DL определяется величиной Dl/l. В остальных случаях необходимо учитывать оба слагаемых в (6).

Длина волны лазера в воздухе: l=l_вак /n, где l_вак - длина вол-

ны лазера в вакууме, n - показатель преломления воздуха. Поэтому

погрешность длины волны содержит две составляющие:

где Dl_вак - погрешность воспроизведения длины волны лазера в ва-

куме, Dn - погрешность измерения показателя преломления воздуха.

Df/2p	Dl/l			Dn/n
Лазер СО₂	Лазер He-Ne	Лазерный диод
10 -4	10 -8	10 -9	10 -6	10 -7

В табл. 1 приведены минимальные значения погрешностей,

достигнутые на практике в ЛИС .

В 1990 г. на международном симпозиуме "Измерение размеров в

процессе производства и контроля качества" для промышленного при-

менения ЛИС физическими пределами, ограничивающими точность изме-

рений, было принято считать: относительную погрешность длины вол-

ны лазера в вакууме 10 -10 ; показатель преломления воздуха - 10 -8 ;

а физическими пределами точности измерения длины: 0.01 мкм для

больших расстояний и 1 нм - для малых.

3.2 Исследование погрешности показателя преломления воздуха.

Основные факторы влияющие на нестабильность показателя преломления воздуха это температура , влажность и давление.

Очевидно возникает задача , которую необходимо решить - определение текущего показателя преломления воздуха .

Применим метод измерения с помощью соответствующих датчиков

значений температура t , влажности e и давления p.

Применим для вычисления формулу Эдлена :

где (nc-1) - рефракция стандартного воздуха при t=15` и p=760 мм. Рт . ст.

Возьмем реальные граници изменения параметров среды:

давление воздуха (720 - 790 мм. Рт. Ст.)

температура (10 - 30 гр.С.)

влажность (средняя 10 мм. Рт. Ст.)

длинна волны излучения лазера в вакуме (из док .на лазер l=0.6329мкм)

Вычисления по формуле Эдлена дали результат :

Давление мм.рт.ст.	n_{воздуха} при t=10 0	n_{воздуха} при t=20 0	n_{воздуха} при t=30 0
720	1.000266	1.000257	1.000248
730	1.000270	1.000260	1.000252
750	1.000277	1.000268	1.000259
770	1.000285	1.000275	1.000266
790	1.000292	1.000282	1.000273

Из получившихся результатов можно сделать вывод , что показатель приломления воздуха увеличивается при увеличении давления и уменьшении температуры .

Максимальный показатель приломления воздуха будет при t=10 0 и давлении P=790 мм.рт.ст. n_MAX =1.000292

Минимальный показатель приломления воздуха будет при t=30 0 и давлении P=720 мм.рт.ст. n_MIN =1.000248

Определим среднее значение погрешности изменения показателя преломления воздуха без учета параметров среды :

Определим максимальное значение погрешности изменения показателя преломления воздуха с учетом параметров среды :

Определим точность измерения датчиков как:

Dp=0.1 мм. Рт. Ст. (для датчика давления)

Dt=0.1 мм. Рт. Ст. (для датчика температуры)

Для нахождения максимальной значение погрешности необходимо продеференцировать формулу Эдлена и возьмем сумму дифференциалов для

случия максимального значения погрешности:

Проведем анализ результатов полученных при помощи пограммы MathCad 7.0

См. Приложение (1).

Результатом является определение максимальнолй погрешности изменения

показателя преломления при изменении параметров среды :

Dn/n t=10’	Dn/n t=20’	Dn/n t=30’
P=720	1.314*10 -7	1.238*10 -7	1.169*10 -7
P=730	1.327*10 -7	1.250*10 -7	1.180*10 -7
P=740	1.340*10 -7	1.262*10 -7	1.192*10 -7
P=750	1.353*10 -7	1.275*10 -7	1.203*10 -7
P=760	1.366*10 -7	1.287*10 -7	1.214*10 -7
P=770	1.379*10 -7	1.299*10 -7	1.226*10 -7
P=780	1.393*10 -7	1.311*10 -7	1.237*10 -7
P=790	1.406*10 -7	1.323*10 -7	1.249*10 -7

Соответственно из полученных данных видно , что максимальное значение

погрешности изменения показателя преломления при изменении параметров среды будет наблюдаться при температуре 10 0 и давлении 790 мм. Рт. Ст.

3.3 Определение погрешности измерения расстояний .

Поставим задачу исследования :

т.к на погрешность измерения перемещений влияет погрешность длинны волны

и нестабильности атмосферных условий то определим когда решающей будет

погрешность длинны волны , а когда нестабильности атмосферных условий.

Исследуем диапазон изменения погрешности длинны волны при значениях Dl_вак /l=10 - 5 ,Dl_вак /l=10 - 7 ,Dl_вак /l=10 - 9

Имеем расчитанные значения погрешности изменения показателя преломления

Dn/n= 1.406*10 -7 ,Dn/n= 2.200*10 -5

Диапазон изменения Df имеем два значения дискреты счета , такие как :

Исследуем диапазон измерения длин в интервале : L=(1 мкм до 1 м)

Исследование проведено при помощи пограммы MathCad 7.0 по формуле (8) См. Приложение (2)

После расчета из получившихся зависимостей можно выделить основные три группы:

Решающие влияние оказывает погрешность длинны волны и нестабильность атмосферных условий.

случай : Dl_вак /l=10 - 5 , Dn/n= 2.2*10 -5

случай : Dl_вак /l=10 - 5 , Dn/n= 1.406*10 -7

Решающие влияние оказывает погрешность длинны волны и нестабильность атмосферных условий.

случай : Dl_вак /l=10 - 7 , Dn/n= 1.406*10 -7

Решающие влияние оказывает нестабильность атмосферных условий , но

на сегоднешний день реальна погрешность длинны волныDl_вак /l=10 - 7 .

случай : Dl_вак /l=10 - 9 , Dn/n= 1.406*10 -7

3.4 Определение положения ближней и дальней зоны .

Определим граничные значения для ближней и дальней зоны :

Будем считать что дальняя зона или ближняя зона будет при условии , что в погрешности измерения перемещений:

Для измерения перемещений могут служить тензорезисторные преобразователи перемещений, представляющие собой упругие элементы 13, 14, снабженные тензорезисторами 12, которые деформируются под действием усилий от перемещения стержня 9 (рис. 1г). Перемещения можно измерять также емкостными, индуктивными и индукционными преобразователями. В емкостных преобразователях используется чаще всего зависимость расстояния между пластинами конденсатора и его емкостью. Индуктивные преобразователи построены на зависимости индуктивного сопротивления катушки, питаемой переменным током, от перемещения деталей магнитопровода. Преобразователи перемещений применяют не только для замера перемещений, но и как измерительные элементы силоизмерителей, измерителей (датчиков) давления.

Существует много видов электрических датчиков, работающих на основе различных систем, например, линейный потенциометр, конденсаторы, изменяемое магнитное сопротивление, линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор.

Конденсаторные системы для измерения перемещений имеют высокий выходной импеданс (как следствие этого, они очень подвержены воздействию шумов). Такие системы обладают хорошим разрешением (могут достигать порядка нанометров) и точностью вплоть до ± 0,01 %.

На основе изменения магнитного сопротивления создан компаратор с изменяющейся индуктивностью, принцип действия которого основан на движении стержня, вызывающее перемещение ферромагнитной пластинки между двумя катушками, при этом магнитное сопротивление в одной из них увеличивается, а в другой уменьшается. Две катушки включены в регулируемые плечи моста переменного тока, и сигнал его разбаланса является мерой перемещения. Такие компараторы имеют малый диапазон измерений, обычно 0…10 мм, и точность около

Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор пригоден для применения в диапазоне малых перемещений порядка 0…0,2 мкм и больших перемещений порядка 0…500 мм. Его точность составляет около ± 0,5 %.

Линейный индуктосин состоит из трека, вдоль которого перемещается скользящий движок. Движок прикреплен к объекту, положение которого или перемещение должны быть измерены. Это может быть режущий инструмент, поэтому линейный индуктосин широко применяется для контроля работы механических станков. Индуктосин имеет точность около ± 2,5 мкм.

Оптические методы измерения линейных перемещений.

Позиционно-чувствительные фотоэлементы.

В позиционно-чувствительном фотоэлементе разделенного типа луч света падает на фотоэлемент, который разделен посередине. Когда луч находится в центральной части, одинаковы сегменты обоих фотоэлементов будут освещены. Смещение луча света приводит к большой доле освещенности одного элемента по сравнению с другим. В результате на выходе дифференциального усилителя возникает сигнал. Диапазон измерения перемещений для такого инструмента составляет несколько миллиметров. Такие приборы могут определять изменение смещения порядка 1 мкм и обладают хорошей стабильностью.

Муаровые полосы.

Муаровые полосы возникают, когда луч света проходит через две решетки, имеющие наклон под небольшим углом друг к другу. Существуют приборы, работающие на проходящем свете или на отраженном свете. В обоих случаях длинная решетка зафиксирована на объекте, который передвигается. Для варианта на проходящем свете каждая решетка имеет ряд параллельных прямых темных полос, между которыми находятся параллельные прозрачные полосы, через которые проходит свет. Для варианта на отраженном свете длинная решетка имеет серию параллельных отражающих полос. А короткая решетка - серию параллельных прозрачных полос. При грубой разметке решетки имеют 10…40 полос на миллиметр, а при тонкой – до 400 полос на миллиметр. Движение длинной решетки относительно фиксированной короткой приводит к перемещению муаровых полос па приемной зоне фотоэлемента, так что его выходной сигнал колеблется верх и вниз. Этим методом можно зафиксировать малые перемещения вплоть до 1 мкм. Такие методы имеют высокую надежность и применяются как средство инструментального контроля.

Работа лазерного интерферометраоснована на методе определения количества пиков колебательного сигнала, связанного с перемещением, при том, что частота связана со скоростью. Такой метод обладает исключительно высокой точностью, несколько частей на миллион, и может использоваться в широком диапазоне измерений, вплоть до 2 м.

Во времяпролетном методе для определения расстояния обычно используют импульсы излучения от лазера, и измеряется время их прохождения до отражателя и обратно. Так как скорость света высока, в воздухе она равна 3×10 8 м/с, этот метод пригоден только для больших расстояний, когда время пролета света достаточно велико, чтобы быть измеренным с приемлемой точностью.

Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков.

Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера. В отношении технических особенностей можно сказать, что существует множество методов измерения, и по мре развития науки и техники, число их все увеличивается. С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков помогает не только правильному выбору метода и его сопоставлению с другими, но и существенно облегчает разработку новых методов измерения.

Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: метод непосредственной оценки, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадений.

При косвенных измерентиях широко применяется преобразование измеряемой величины в процессе измерений.

2.Преобразование измеряемой величины в процессе измерений

Если мы проанализируем известные нам процессы измерений, то обнаружим, что в подавляющем большинстве случаев мы получаем числовое значение измеряемой величины, только после того, как тем или иным способом видоизменим ее. Рассмотрим в качестве примера измерение массы тела, которую мы измеряем с помощью обыкновенных равноплечих весов. Под действием земного притяжения создаются силы. Масса тела вместе с этими силами давит на одну чашку, а масса гирь - на другую. Подбирая гири, мы добиваемся равновесия, т.е. равенство этих сил. Это дает нам право сказать, что масса взвешиваемого тела равна массе гирь, принимая, что сила земного притяжения на расстоянии между чашками остается одной и той же. Как видим, для измерения массы нам пришлось преобразовать массы тела и гирь в силы, а для срванения сил между собой преобразовать их действие в механическое перемещение рычагов весов.

Другой пример - измерение давления газа при помощи трубчатого манометра. Металлическая трубка манометра, изогнутая по дуге, одним концом соединяется с резервуаром, в котором необходимо измерить давление газа. Другой конец трубки запаян. Под действием давления газа трубка разгибается и тем больше, чем больше давление. Свободный конец трубки перемещается в пространстве. Так осуществляется первая ступень преобразования. Перемещение конца трубки при помощи системы рычагов и зубчаток преобразуется во вращение оси (вторая ступень преобразования). На оси находится стрелка, конец которой перемещется по дуге над шкалой с делениями. Эта третья ступень преобразования, позволяющая получить числовое значение измеряемого давления.

Приведенные примеры показывают, что даже простые измерения проводятся путем преобразования измеряемой величины.

Необходимо отметить, что преобразования измеряемых величин всегда таят в себе опасность внесения погрешностей. Например, при взвешивании, описанном выше, мы не учли закона Архимеда, в соответствии с которым вес тела, находящегося в какой - либо среде, уменьшается на вес вытесненного телом объема среды, если плотность материала гирь отличается от плотности вещества взвешиваемого тела. Другими словами, объем вытесненного воздуха различен, при взвешивании влияние этого явления может исказить результат. Правда это влияние оказывается очень небольшим и учитывать его приходится только при точных взвешиваниях, в частности, при взвешивании драгоценных металлов.

Основным выводом из сказанного является то, что в подавляющем большинстве случаев измерения связаны с преобразованием измеряемой величины.

3.Метод непосредственной оценки

Метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины непосредственно без каких - либо дополнительных действий со стороны лица, проводящего измерение, и без вычислений, кроме умноженияего показаний на постоянную измерительного прибора или цену деления.

Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым для практического использования, хотя точность измерения бывает обычно ограниченной.

Наиболее многочисленной группой средств измерений, служащих для измерений методом непосредственной оценки, являются показывающие приборы и вот числе так называемые стрелочные приборы. Показывающие измерительные приборы нередко в течение длительного времени непосредственно контактируют с измеряемой величиной. Указатель их непрерывно следует за изменением этой величины, что имеет большое значение при осуществлении технологических процессов, наблюдении за явлениями природы и т.п.

К показывающим измерительным приборам непосредственной оценки относятся манометры, динамометры, барометры, амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры, расходомеры, тягомеры, напоромеры, жидкостные термометры и многие другие.

Измерение при помощи интегрирующего измерительного прибора - счетчика также является методом непосредственной оценки.

В ряде случаев средство измерений приводится в контакт с измеряемой величиной только в тот момент, когда возникает необходимость узнать значение этой величины. К такой разновидности метода непосредственной оценки относятся, например, взвешивание грузов на циферблатных весах, измерение длины при помощи линейки с делениями или рулетки, измерение электрических величин при помощи переносных приборов и т.п.

4.Разностный или дифференциальный метод

Этот метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и величиной, значение которой неизвестно. Разностный метод позволяет получит результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств для измерения разности. Однако осуществление метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряемой. Это во многих случаях оказывается легче, чем изготовить средство измерений высокой точности.

Проиллюстрируем сказанное на примере измерения длины как наиболее наглядном. На рис.1 рядом с телом, длину x которого следует измерить, помещена мера длины. Размер l меры известен с достаточной

точностью .Измерив небольшую разность между

длинами этих двух предметов a, мы сможем узнать а

длину x=l+a. Предположим, что погрешность изме-

рения размера a не превышает a, тогда результат x

измерения можно будет изобразить выражением l Рис.1

a±a или a(1±a/a), где a/a - относительная погрешность измерения а.

Определим относительную погрешность измерения величины x

где a/l+a- относительная погрешность измерения x.

Так как l значительно больше a, то относительная погрешность измерения x значительно меньше относительной погрешности измерения a

Для измерения малых перемещений используют омические ( ре-зистивные) чувствительные элементы. Для измерения толщины пленки и уровня ( например, жидкости) пригодны емкостные чувствительные элементы. Универсальным чувствительным элементом длины ( перемещения) является индуктивный чувствительный элемент. Цифровое измерение перемещения осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя по методу кодовых масок. [18]

Для измерения малых перемещений ( чаще всего деформаций деталей) применяют так называемые проволочные датчики ( фиг. Сверху проволоку заклеивают второй полоской бумаги. К концам проволоки припаиваются выводы из медной или серебряной фольги. [19]

Точность измерений малых перемещений может быть доведена о 0 01 - 0 001 мм. [20]

Точность измерений малых перемещений может быть доведена до 0 01 - 0 001 мм. [21]

При измерении очень малых перемещений пользуются тем или иным способом преобразования их в большие перемещения, наблюдаемые глазом. [22]

Впервые для измерения малых перемещений интерферометр был применен Майкельсоном. [23]

Примером прибора измерения малых перемещений может служить профилометр - профилограф с индукционным преобразователем. [24]

Датчик предназначен для измерения малых перемещений и сил. [25]

Емкостные преобразователи для измерения малых перемещений отличаются высокой чувствительностью ( до 500 в / мм), линейностью, малыми погрешностями и одновременно простотой конструкции и легкостью подвижной части, что в ряде случаев делает их незаменимыми. [26]

Дифференциально-трансформаторные датчики применяют для измерения малых перемещений . Индуктивные датчики являются безынерционными элементами автоматики при условии, что частота входного сигнала изменяется во много раз медленнее по сравнению с частотой источника питания. [27]

Индуктивные устройства применяют при измерении малых перемещений . Простейшее индуктивное устройство представляет собой катушку 1 со стальным магнитопроводом. Контролируемый орган механически связывается с якорем. При перемещении якоря индуктивное сопротивление катушки 1 меняется, вследствие чего изменяется и значение тока, проходящего через катушку. Индуктивные устройства имеют разнообразные конструкции. Их большими преимуществами являются надежность благодаря отсутствию подвижных контактов, механическая прочность, возможность использования в системах контроля без усилителей. Индуктивные устройства работают на переменном токе с частотой 50 - 1000 Гц. [28]

Автоколлимационный отсчет применяют при измерении малых перемещений до 0 2 мм с ценой деления 1 мк ( фиг. [29]

Одинарные индуктивные датчики применяются для измерения малых перемещений ; для измерения перемещений порядка нескольких сантиметров применяют соленоидные системы, состоящие из открытого соленоида и подвижного якоря. [30]

Читайте также: