1. Назначение и принцип действия

Для измерения неэлектрических величин применяется и частотный метод, при котором измеряемая величина преобразуется в переменное напряжение, частота которого зависит от этой величины. Достоинством частотного метода измерения является то, что в процессе передачи и дальнейшей обработки частотного выходного сигнала не возникает дополнительной погрешности. Действительно, если выходным сигналом датчика является напряжение, то при передаче такого сигнала на расстояние происходит падение напряжения на проводах линии связи. Если выходным сигналом датчика является, например, сопротивление, то к нему добавляется сопротивление проводов линии связи. А в частотном методе измерения наличие сопротивления проводов линии связи и внутреннего сопротивления измерительного прибора не изменяют частоту сигнала. Еще одним достоинством частотного сигнала является удобство преобразования его в цифровой код. Это особенно важно в связи с развитием в последнее время цифровых измерительных приборов и применением в автоматике цифровых вычислительных машин.

Наибольшее развитие для преобразования неэлектрических величин в частоту получили струнные датчики. Принцип действия струнного датчика основан на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны длиной l и массой т от силы натяжения F:

(1)

Струнные датчики используются в приборах для измерения силы, давления, расхода, температуры и др. При воздействии на струну измеряемой силы струна практически не растягивается, поэтому первичный преобразователь (например, мембрана в датчике давления) работает, почти не деформируясь. Это обстоятельство существенно снижает погрешность измерения из-за механического гистерезиса и упругого последействия материала первичного преобразователя.

Струнный датчик (рис. 1) состоит из струны 1, возбудителя 2 и приемника 3. Одним концом струна жестко закреплена, а другим концом соединена с первичным преобразователем, например мембраной 4 на рис. 1. При изменении давления Р изменяется сила натяжения струны. С помощью возбудителя 2, которым может быть электромагнит, струна выводится из состояния равновесия и начинает колебаться с частотой f, определяемой давлением Р. Приемник 3 преобразует перемещение струны с частотой f в электрический сигнал такой же частоты. В качестве приемника 3 может использоваться индуктивный, емкостный или любой другой датчик. На практике чаще всего применяют электромагнитный датчик. Дело в том, что он может попеременно выполнять функции то возбудителя, то приемника. Когда на его обмотку подается напряжение, то он создает электромагнитную силу притяжения струны и возбуждает ее колебания. А когда струна уже колеблется, то с этой же обмотки снимается переменное напряжение, частота которого равна частоте колебаний струны.

Рис. 1. Струнный датчик для измерения давления

Струнные датчики используются в двух режимах: автогенераторном и в режиме работы по запросу. В первом случае струна постоянно колеблется, а во втором — работает в более легких условиях, срок службы ее увеличивается и датчик получается несколько проще.