2.9 Измерение перемещений, скоростей и ускорений

Измерения полного линейного или углового перемещения, а также средней линейной или угловой скорости, как правило, не вызывает серьезных проблем. Однако, при исследованиях и испытаниях аппаратов зачастую приходится решать более сложные задачи, а именно: получать осциллограммы и определять мгновенные значения перемещений, скоростей и ускорений. В таких случаях требуется применение соответствующих датчиков и преобразующих устройств.

В частности, для измерения механических перемещений достаточно часто используется резистивный (потенциометрический) датчик. Его принцип действия основан на изменении электрического сопротивления и, соответственно, падения напряжения при перемещении движка, кинематически связанного с исследуемым элементом. Резистивный датчик может использоваться для регистрации как линейных, так и угловых перемещений. Основным достоинством резистивного датчика является линейная зависимость выходного сигнала от величины перемещения. Причем, выходной сигнал, как правило, не требует усиления и может непосредственно подаваться на вход осциллографа. К недостаткам резистивных датчиков можно отнести, прежде всего, создание дополнительной нагрузки на исследуемый элемент, однако, вносимая погрешность, как правило, незначительна. Кроме того, резистивный датчик зачастую требует относительно сложной связи с исследуемым элементом, при больших скоростях возможны вибрации щетки и нарушение переходного сопротивления.

Емкостные датчики создают относительно небольшую нагрузку на исследуемый элемент, но способны измерять лишь относительно небольшие перемещения. Принцип действия емкостного датчика основан на изменении емкости. Основным его элементом является цилиндрический конденсатор, между обкладками которого перемещается втулка, выполненная из изоляционного материала с большой диэлектрической проницаемостью. Емкость датчика изменяется незначительно, поэтому схемы с емкостными датчиками строят обычно на резонансном принципе, что ведет к ее усложнению.

Индуктивные датчики просты и удобны, но их чувствительность сильно зависит от изменяющегося зазора. Поэтому при измерении больших перемещений необходимо иметь дополнительные преобразующие устройства. Существенным недостатком индуктивных датчиков является их чувствительность к внешним полям и нелинейность характеристики, что требует предварительной тарировки датчика.

Фотоэлектрические датчики требуют применения приспособлений на исследуемом элементе (для отражения или пропускания света), а также специальной схемы освещения, что усложняет конструкцию датчика. Однако, в ряде случаев (например, определение скорости движения электрической дуги) применение таких датчиков наиболее эффективно.

Наряду с рассмотренными методами нельзя сбрасывать со счетов также радиолокационные методы, хотя при этом требуется сложная аппаратура для генерации СВЧ-волн и преобразования сигнала. В ряде случаев этот метод может эффективным, так как существенным его преимуществом является отсутствие механической связи прибора с исследуемым элементом.

В качестве датчика скорости достаточно часто используют индукционный преобразователь. Его основным элементом является катушка, движущаяся в постоянном магнитном поле. Наводимая в ней ЭДС пропорциональна скорости ее перемещения. Для определения перемещения или ускорения с помощью индукционного преобразователя получаемый сигнал необходимо соответственно проинтегрировать или продифференцировать.

Учитывая достоинства и недостатки рассмотренных методов, вопрос применения того или иного должен решаться с учетом конкретной задачи и условий эксперимента.