Обзор датчиков силы

2.4 Обзор датчиков силы

Большое распространение для измерения силы получили тензорезисторные датчики, структурная схема которых представляет последовательное соединение трех измерительных преобразователей:

Рисунок 6 - Структурная схема датчика силы.

где УЭ - упругий элемент, ТР - тензорезистор, ИЦ - измерительная цепь (мостовая схема). Измеряемая сила Fx прикладывается к УЭ так, что он деформируется на величину Е_t. Деформация УЭ воспринимается установленным на него тензористорами, которые изменяют свое сопротивление на величину E_k относительных единиц. Относительное изменение сопротивления тензорезистора измерительной цепью преобразуется в величину выходного сигнала U_вых. В тензорезисторных датчиках силы получили распространение две измерительные цепи: неравновесный мост и делитель напряжения, который применяется в тех случаях, когда ограничены габариты датчика или если требуется измерять только динамическую составляющую.

На конструкцию датчика силы, его характеристики существенно влияет конструкция упругого элемента. В зависимости от этого датчики силы можно подразделить на датчики со стержневым, кольцевым, мембранным, балочным, упругим элементом.

Датчик со стержневым упругим элементом состоит из цилиндрического упругого элемента, на наружной поверхности которого установлены тензорезисторы и компенсационные сопротивления, силовой и вспомогательной подушек, монтажной колодки, кожуха и разъема. Упругий элемент имеет хвостовик, предназначенный для крепления датчика на объекте измерения. На нижней части упругого элемента предусмотрена выточка для крепления кожуха и площадка для установки разъема. Силовая и вспомогательные подушки контактируют между собой по сферической поверхности. Измеряемая сила прикладывается к силовой подушке и передается через сферический контакт вспомогательной подушке и упругому элементу, деформирующемуся под действием этой силы. Упругий элемент в зависимости от предела измерения силы может быть выполнен и в виде сплошного стержня.

В конструкции датчика силы с кольцевым упругим элементом вместо стержня установлено кольцо с двумя жесткими участками вдоль вертикального диаметра, т.е. вдоль направления действия силы. Тензорезисторы приклеены на внутренней и наружной поверхности кольца, на линии горизонтального диаметра.

Датчик силы с мембранным упругим элементом. Измеряемая сила прикладывается к силовой подушке, удерживаемой между крышкой и жестким центром мембраны, пружиной. В результате действия силы мембранный УЭ деформируется. Радиальные деформации мембраны воспринимаются наклеенными на нее тензорезисторами, собранными в мостовую ИЦ, вход и выход которой выведены на разъем. Резьбовой хвостовик предназначен для крепления датчика на объекте.

Датчик силы с балочным УЭ. Основным узлом этого датчика является чувствительный элемент выполненный в виде балки равного сечения, с жестко заделанным одним концом, с наклеенными на верхнюю и нижнюю части ее, тензорезисторами. Измеряемая сила прикладывается к штоку, закрепленному на втором конце балки.

2.5 Выбор тензорезистора

Тип тензорезиетора задан в таблице исходных данных. Для этого типа характерны следующие параметры:

•  Предельная измеряемая деформация ε=0,003

•  Коэффициент тензочувствительности S=l,9..2,3.

•  Номинальное сопротивление R= 100 - 400 Ом

•  Размеры: база - С, длина - L, ширина - В.

Обозначение тензорезистора включает в себя основные его характеристики. КФ5П1-3-100 Б12 - тензорезистор КФ5, прямоугольный, база-3 мм, сопротивление 100 Ом, группа качества Б, термокомпенсирован для стали. 12 - температурный коэффициент линейного расширения стали, без множителя.

2.6 Выбор и расчёт упругого элемента

1) Выбор конструктивной схемы УЭ и схемы установки тензорезисторов.

С помощью УЭ усилие F преобразуется в деформацию. В тензоризисторных датчиках наибольшее распространение получили такие формы упругого элемента, как кольцо, стержень, мембрана, балка. Эти УЭ обладают разными чувствительностью и быстродействием.

Наиболее удачно вопросы закрепления концов УЭ (стабилизации точки) решены в конструкции УЭ в виде кольца. Задача же получения одинаковых по величине деформаций разных знаков может быть обеспечена геометрией жестких участков.

Рисунок 2 - Датчик силы

2) Выбор ширины кольца:

Ширина кольца в 1,2 больше ширины тензорезистора, значит

h=1,2*b=1,2*4,7*10^-3=5,64*10^-3м.

3) Выбор материала упругого элемента.

Материал упругого элемента - сталь 36НХТЮ (E=2,l*10¹¹ Па). Это высококачественная сталь, имеет хорошие упругие характеристики и очень часто применяется для изготовления упругих элементов.

Значение R₀ определяется из зависимости:

,

где В_k - конструктивный коэффициент чувствительности.

Е - модуль упругости материала упругого кольца. Обычно его изготавливают из стали марки36НХТЮ, для которого Е=2,1*10¹¹ Па;

F - максимальное значение измеряемой силы;

h - толщина кольца. Если кольцо имеет сечение формы круга, то h=b;

b - ширина кольца, b=Rb-Rh.

B_k=0,6;

F=50 H;

Е=2,1*10¹¹ Па

Тогда:

Наружный и внутренний радиусы найдём из соотношений:

 

Коэффициент чувствительности, который зависит от используемой зоны деформации упругого кольца. Зоны деформации вблизи вертикального диаметра характеризуются повышенной чувствительностью, однако распределение напряжений в этих зонах неравномерно, а зоны на наружной поверхности мало приспособлены для установки на них тензорезисторов из-за конструктивных недостатков. Кроме того, относительная длина этих зон меньше зон горизонтального диаметра. Зоны вблизи горизонтального диаметра обеспечивают меньшую чувствительность (почти в 2 раза), но зато в этих зона более равномерно распределена деформация, относительная длина их в 1,5 раза больше зон вертикального диаметра. Зоны горизонтального диаметра конструктивно и технологично очень доступны для установки на них тензорезисторов. Исходя из выше сказанного, для установки тензорезисторов выбираем зоны горизонтального диаметра, а недостаток чувствительности обеспечим другими средствами. При использовании зоны вблизи горизонтального диаметра Вк=0,6.

2.7 Расчёт частотного диапазона датчика

Частотный диапазон работы датчика полностью определяется его собственной частотой. Чем выше частота, тем тире частотный диапазон работы датчика работы датчика и тем меньше влияние вибрации ускорения на его работоспособность. В разрабатываемом датчике можно считать, что жесткость в основном определяется жесткостью УЭ, и собственная частота датчика равняется собственной частоте УЭ.

 

где

h – толщина кольца;

Е – модуль упругости материала УЭ;

ρ - плотность материала упругого элемента.

(кг/м³).

2.8 Расчёт термокомпенсирующего сопротивления мостовой схемы

Рисунок 7 - Мостовая измерительная схема.

Rl, R4 - тензорезисторы, расположение на упругом кольце;

R2, R3 - константановые проволочные сопротивления, не испытывающие деформации.

R5 -термокомпенсирущее сопротивление.

Чтобы обеспечить максимальную чувствительность мостовой измерительной схемы, необходимо чтобы Rl, R2, R3, R4 были равны при отсутствии силы, действующей на упругий элемент. Для равноплечего моста термокомпенсирующее сопротивление рассчитывается следующим образом:

,

где

r_вх- входное сопротивление схемы со стороны питания;

l_RT=0,00002 (1/К)-температурный коэффициент тензорезистора (константан);

l_RK=0,000428 (1/К).

r_вх=R1=400( Ом) ,тогда

2.9 Расчет зависимости напряжения разбаланса мостовой измерительной схемы от значения действующей на упругий элемент силы

1) Расчет напряжения питания:

Диаметр проволоки d=0,05(мм)

,

где Uпит=15В. Откуда

Следовательно значение силы тока выбрано правильно.

Зная I_доп определим значение U_пит:

2) Расчет выходного напряжения:

,

где k=1- коэффициент симметрии измерительной цепи;

n=2 –количество активных плеч моста;

S=2,1- коэффициент тензочувствительности тензорезистора;

С_х=0,71- эквивалентный коэффициент деформации.

Рисунок 8: Зависимость напряжения от действующей силы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В первой части данной работы мы разработали детектор термокондуктометрического газоанализатора. Построили физическую и математическую модели первичного измерительного преобразователя; определили функции преобразования; рассчитали конструктивные параметры чувствительного элемента; выбрали и рассчитали схемы включения; определили статическую характеристику по каналу первичный преобразователь - схема включения; рассчитали метрологические характеристики; выполнили все необходимые чертежи разрабатываемого устройства.

Во второй части курсовой работы мы разработали датчик предназначенный для измерения сил, развиваемых энергетическими установками и агрегатами, рассчитали при этом упругий элемент, частотный диапазон, термокомпенсирующее сопротивление мостовой схемы и напряжение разбаланса.

Приложение Б

Расчёты в программе Mathcad