Жан-Поль Эймишен - Электроника?.. Нет ничего проще!

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:

XR2 = 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!

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.

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?

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».

Любознайкин, открывает своему другу тайну, скрывающуюся под хорошо известным словом «ускорение», и рассказывает, как это ускорение измеряют. Речь пойдет также о преобразователях, чувствительных к звуку, теплоте и, наконец, к свету (знаменитые фотоэлектрические элементы, с которыми так хотел познакомиться Незнайкин).