ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УСКОРЕНИЯ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
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).
Незнайкин . – Надеюсь, что ты, Любознайкин, не займешь весь сегодняшний вечер разговорами о механических преобразователях. Откровенно говоря, мне кажется вполне достаточно того, что я о них услышал.
Любознайкин . – Успокойся. Прежде чем перейти к другой теме, я намерен рассказать тебе лишь о преобразователях положения, т. е. о таких преобразователях, которые позволяют превратить в электрический сигнал положение подвижного элемента.
Н. – Мне представляется, что многие приспособления, о которых ты говорил мне вчера, могли бы оказаться полезными для этой цели. Например, потенциометр с линейной намоткой катушки или же конденсатор переменной емкости.
Л. – Совершенно верно. Можно также использовать (рис. 17) пластинку, больше или меньше перекрывающую световой поток, оставшаяся часть которого измеряется фотоэлементом (этот прибор скоро станет предметом нашего разговора). Но перейдем к преобразователям скорости; рассмотрим для начала способы измерения угловой скорости (или частоты вращения).
Рис. 17. В зависимости от положения подвижной заслонки изменяется освещенность фотоэлемента.
|
|
|
Измерение скорости
Н. – Здесь, должно быть, можно использовать регулятор с шарами, как в паровых машинах; ты прекрасно знаешь, что он представляет собой ось, на которой вращаются два шара, соединенных с нею рычагами: когда ось вращается быстро, центробежная сила разводит эти шары в стороны.
Л. – Да, это вполне реально. Но значительно проще соединить ось с маленькой динамомашиной (рис. 18); величина создаваемого ею напряжения пропорциональна частоте вращения, на таких приборах указывается, на сколько вольт увеличивается напряжение на один оборот в секунду оси динамомашины. Можно также соединить ось с валом маленького электрогенератора переменного тока и измерять частоту тока.
Рис. 18. Динамомашина вырабатывает напряжение, величина которого пропорциональна скорости вращения; измеряя напряжение, можно определить скорость вращения.
Н. – Все это очень хорошо, но динамомашина или генератор переменного тока, должно быть, тормозят движение оси?
Л. – Совершенно верно, но, если вал приводится в движение дизелем мощностью в 1000 л. с., это не имеет большого значения. Однако в случае использования генератора переменного тока можно избежать какого бы то ни было торможения: на вращающемся валу крепится небольшой магнит; вращаясь поблизости от катушки, он наводит в ней электрический ток.
|
|
|
Если ты не хочешь создавать никакого торможения, то можно также укрепить на валу диск с отверстиями, который n раз перекрывает луч света, попадающий на…
Н. – … фотоэлектрический элемент! Я полагаю, что пока не изучу эти элементы, я не пойму электронику!
Л. – Да, они используются очень широко. Но сначала позволь мне рассказать тебе о преобразователях скорости, используемых для измерения скорости прямолинейного движения.
Н. – О! В этом случае к движущемуся предмету привязывают нить и наматывают ее на барабан. Здесь, как в математике, «приводят к предыдущему случаю».
Л. – В предложенной тобой системе есть положительные качества. Можно также укрепить на подвижном предмете магнит, перемещающийся в катушке: наводимое в этой катушке напряжение будет функцией скорости перемещения.
Прежде чем закончить этот раздел, я хотел сказать тебе несколько слов о преобразователях ускорения или акселерометрах.
Ускорение
Н. – Постой. Ведь ускорение не что иное, как изменение скорости. Значит можно было бы ограничиться преобразователем скорости и по его показаниям рассчитать ускорение.
|
|
|
Л. – В какой‑то мере ты прав. Но только отчасти; прежде всего ты руководствуешься классическим представлением, по которому ускорение представляет собой изменение лишь абсолютного значения скорости, а это справедливо только для прямолинейного движения. В этом конкретном случае действительно можно удовлетвориться преобразователем скорости, передавая его показатели на дифференцирующую схему…
Н. – Ну, это совсем не то!..
Л. – Это намного проще, чем ты думаешь. Но ускорение имеет несколько иной, чем ты себе представляешь, смысл: ускорением называют всякое изменение скорости как по абсолютной величине, так и по направлению. Так, например, на поворотах у автомобиля, идущего с постоянной скоростью, возникает ускорение; ты чувствуешь это ускорение, потому что сила (именуемая центробежной) прижимает тебя к дверце машины точно так, как воздействует на тебя сила при изменении абсолютного значения скорости машины, идущей по прямой дороге.
Н. – Ну, эти‑то силы я хорошо знаю. У одного из моих приятелей есть спортивный автомобиль; когда он срывается с места, я едва удерживаюсь, чтобы не вылететь на заднее сидение, а каждый раз, когда он тормозит, я рискую пробить своей головой ветровое стекло.
|
|
|
Л. – Познакомь меня со своим другом: если когда‑нибудь он предложит мне поездку в машине, то я смогу сэкономить деньги на железнодорожном билете… А пока, представь себе, Незнайкин, что в машине своего друга ты сидишь на безукоризненно ровном и гладком сидении и что (для твоего же блага) привязан веревками к четырем преобразователям силы…
Н. – Это мне совсем не понравится…
Л. – Сейчас это не столь существенно. Главное в том, что, обладая определенной массой, твое тело будет иметь тенденцию сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения[4]…
Н. – Ах, Любознайкин! Ведь от природы я совсем не такой инертный!
Л. – Сейчас речь идет не о твоем характере, а о законе физики. Всякий обладающий массой предмет стремится оставаться неподвижным или сохранять постоянную по величине и направлению скорость (иначе говоря, равномерное прямолинейное движение). Для измерения твоей скорости к тебе нужно приложить силу в направлении движения (чтобы увеличить скорость), в обратном направлении (чтобы уменьшить скорость) или в направлении, перпендикулярном движению (чтобы изменить направление скорости). Однако, когда к тебе прикладывают силу, ты реагируешь с такой же, но противоположно направленной силой (здесь также проявляется не твой характер, а закон физики о действии и противодействии). Проявляемая тобою сила воздействует на преобразователи, а они показывают, какому усилию или усилиям подвергаешься ты в каждый момент…
Н. – Совершенно независимо от моего желания и воли…
Л. – Но тем не менее подвергаешься. Система, состоящая из автомобиля, тебя и преобразователей силы, представляет собой акселерометр, который в каждый момент показывает ускорение автомобиля.
Экономичный акселерометр
Н. – Так, значит, для создания акселерометра требуется автомобиль, человек и…
Л. – Где твоя серьезность, Незнайкин? Ты несомненно прекрасно понимаешь, что для этой цели достаточно иметь (рис. 19) соединенную с подвижным предметом А коробочку В , в которой предмет, обладающий массой М , соединен с преобразователем силы F (на пьезоэлектрическом элементе, на потенциометрах или иной конструкции). Но обычно устанавливают несколько акселерометров, как правило, три, чтобы обнаружить ускорения в трех направлениях: два в горизонтальной плоскости и одно в вертикальной (последнее не представляет интереса для автомобиля). В автомобиле вертикальное ускорение возникает лишь при езде по рытвинам…!
Рис. 19. Акселерометр представляет собой коробку В , прочно соединенную с подвижным предметом А . В этой коробке сила инерции массы М воздействует на преобразователь силы F , когда А испытывает ускорение.
Н. – Нужно набраться терпения и постараться не думать о морской болезни.
Л. – Незнайкин! Вместо того чтобы заниматься шутками, подумай о применении преобразователей ускорения. Большое количество таких приборов устанавливается в различных частях ракет, уносящих в небо искусственные спутники. Самолеты также богато оснащены ими; преобразователи устанавливают и на различные подверженные вибрации детали машин, чтобы измерить вибрационные ускорения, столь опасные для оборудования, где они возникают.
Н. – В самом деле это очень полезно.
А теперь послушаем…
Л. – Оставим на время механику и совершим небольшое путешествие в область акустических преобразователей. Ты уже давно знаком с ними…
Н. – Да ведь это же микрофоны! Последний опыт, когда я пытался использовать микрофон в устройстве охраны от воров, закончился для меня полнейшим провалом.
Л. – Правильно. Известные тебе микрофоны можно рассматривать как акустические преобразователи: они представляют собой (рис. 20) мембрану, воздействующую на преобразователь силы (пьезоэлектрический кристалл, угольный порошок, конденсатор) или на преобразователь скорости (подвижная катушка, лента). Но существуют и другие акустические преобразователи: гидрофоны, предназначенные для восприятия звуков, распространяющихся в воде, и геофоны, предназначенные для прослушивания звуков, распространяющихся в земле.
Рис. 20. В микрофонах может использоваться сжатие пьезоэлектрического кристалла (а ) или угольного порошка (б ); иногда используется также напряжение, наведенное в катушке или ленте (в ), перемещающейся в междуполюсном зазоре магнита.
Н. – Последние были бы очень полезны индейцам племени Сиу.
Л. – Клянусь супергетеродином, я не вижу никакой связи!
Н. – Любознайкин! Разве ты никогда не читал романов Майна Рида или Фенимора Купера? Ведь всем известно, что главный вождь прикладывает ухо к земле, чтобы услышать стук копыт лошадей своих врагов или кареты, на которую индейцы собираются напасть.
Л. – Прости меня, да будет мне позволено немного забыть этих классиков, чтобы… вернуться в Европу. Геофоны, в частности, используют для прослушивания звуков взрыва, чтобы узнать, где расположены подземные слои, отражающие звук взрыва заряда Тринитротолуола. Этот способ широко используется геологами при поисках нефти. Но история с индейцами племени Сиу настолько подогрела мое воображение, что мне представляется логичным перейти к преобразователям, чувствительным к температуре.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 278; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!