Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
5. Измерение силы и ее производных
На основе измерения усилий основан принцип работы большого числа
измерительных устройств других физических величин. Это: деформация,
микроперемещение, давление, ускорение и т.п.
Динамометры бывают различных типов: механические (в том числе
гидравлические и пневматические), электрические (тензорезистивные,
магнитоупругие, электромагнитные, электростатические), с использованием
резонансных и волновых процессов в твердых телах (механические
вибраторы,
пьезорезонаторы, ПАВ-датчики) и многие другие типы.
При выборе типа динамометра необходимо учитывать следующие
факторы: принцип работы, точность, стоимость, массгабаритные показатели,
надежность…
При эксплуатации устройств нужно учитывать условия их работы и
знать влияющие факторы: наличие «ползучести» и нелинейности,
воспроизводимость, гистерезис, изменение температуры, колебание
атмосферного давлении, влияние положения в пространстве, пригодность
для
измерения статических и динамических нагрузок, частотный диапазон,
чувствительность к поперечным и изгибным усилиям, перегрузочную
способность…
При монтаже: размеры, возможность замены и калибровки, требования
к кабелю, коррозионная стойкость, взрывозащищенность, род и величина
питающего напряжения, согласованность с измерительным прибором.
Тензорезистивные динамометры отличаются материалом и методом
крепления тензорезистора к ЧЭ. Для
малых усилий используют деформацию
изгиба ЧЭ, для средних усилий – деформацию растяжения-сжатия, для
больших усилий – деформацию сдвига, кручения.
В качестве измерительной схемы чаще всего используют мост Уитстона.
Особенности индуктивных динамометров:
• сигнал большой мощности;
• низкая чувствительность к поперечным усилиям;
• высокая температурная зависимость;
• низкая стоимость;
• средний частотный
диапазон.
Для магнитоупругих динамометров дополнительные устройства не
требуются. Применяют для измерения больших усилий, характеризуются не
высокой точностью, используются для измерения статических усилий.
Для измерения усилий, давлений используют также датчики усилий с
емкостным преобразователем микроперемещений.
Пьезоэлектрические динамометры применяют для измерения
быстропеременных усилий.
Струнные динамометры имеют низкий частотный диапазон, малую
чувствительность
к внешним факторам (используют дифференциальный
вариант), отсутствие ползучести.
Гироскопические динамометры. Действие силы перпендикулярно оси
вращения приводит к отклонению в перпендикулярном направлении, при
этом пропорционально изменяется скорость вращения, достигается высокая
точность.
С помощью тензометрии производится измерение производных
физических величин: крутящего момента, механической работы и
мощности.
Так как для измерения крутящего момента преобразователи
устанавливаются на вращающихся частях, то для
съема электрического
сигнала используют контактные кольца или бесконтактным методом.
Преобразователи используют тензорезистивные, индуктивные,
магнитоупругие. Для определения мощности необходимо измерять еще и
скорость вращения.
При измерении веса, массы и их производных нужно учитывать
выталкивающую (подъемную) силу.
Взвешивать нужно как неподвижные, так и движущиеся среды.
5.1 Измерение силы, механических напряжений
Датчики силы можно разделить на два класса: количественные и
качественные.
Количественные датчики измеряют силу и представляют ее значение в
электрических единицах. Примерами таких датчиков являются
динамометрические элементы и тензодатчики.
Качественные датчики – это пороговые устройства, чья функция
заключается не в количественном определении значения силы, а в
детектировании превышения заданного уровня
приложенной силы.
То есть, в первом случае речь идет об измерении, а во втором случае – о
контроле силы или механических напряжений. Примерами таких устройств
являются, например, тензодатчики и клавиатура компьютера. Качественные
датчики часто используют для детектирования движения и положения
объектов.
Методы измерения силы можно разделить на следующие группы:
•
уравновешивание неизвестной силы силой тяжести тела известной
массы;
• измерение ускорения тела известной массы, к которому приложено
усилие;
• уравновешивание неизвестной силы электромагнитным усилием;
• преобразование силы в давление жидкости и измерение этого
давления;
• измерение деформации упругого элемента системы, вызванной
неизвестной силой.
В большинстве датчиков не происходит прямого преобразования
силы в
электрический сигнал. Для этого обычно требуется несколько
промежуточных этапов. Поэтому, как правило, датчики силы являются
составными устройствами. Например, датчик силы часто представляет собой
комбинацию преобразователя силы в перемещение и детектора
положения.(перемещения).
Рис. 5.1 Датчики силы с линейно регулируемым дифференциальным
трансформаторным и емкостным преобразователем (1, 2, 3 — обкладки
емкостного преобразователя.)
Общая характеристика первичных преобразователей для
измерения силы, веса, массы
Наиболее раcпространенным видом измерений во всем мире является
измерение массы. В связи с этим, за последнее время появилось большое
разнообразие весовой техники, позволяющей удовлетворить любые
требования потребителя.
Принципы построения весов сводятся к измерению силы. Приложенная
сила воздействует на первичный преобразователь (датчик), состоящий из
упругого элемента и преобразователя деформации
, механически связанного с
упругим элементом и преобразующим эту деформацию в электрический
сигнал.
В настоящее время в весовой технике нашли применение следующие
типы преобразователей:
Виброчастотный (струнный). Он основан на изменении частоты
натянутой металлической струны, установленной на упругом элементе, в
зависимости от величины силы, приложенной к нему. Влияние внешних
факторов,
таких как влажность, температура, атмосферное давление,
внешние вибрации, а также сложность изготовления привели к тому, что
данный тип датчиков не нашел широкого применения.
Пьезокварцевый. Он основан на изменении частоты кварцевого кристалла,
механически связанного с упругим элементом, при воздействии
приложенной к нему силы. Изменение параметров кристалла при
воздействии на него внешней
среды также привели к тому, что эти датчики
не нашли широкого применения в весовой технике.
Тензометрический. Он основан на изменении сопротивления
тензорезисторов, наклееных непосредственно на упругий элемент в поле
деформаций и соединенных по мостовой схеме. Измеряемое усилие с
помощью упругого элемента преобразуется в деформацию, которая
воспринимается тензорезисторами, меняющими свое сопротивление. Это
изменение в измерительной цепи преобразуется в изменение напряжения,
пропорциональное приложенной силе.
Тензорезисторный тип
датчика нашел наиболее широкое применение в
весовой технике по следующим причинам:
• Высокое качество тензорезисторов, обусловленное современными
технологиями при их изготовлении;
• Простота изготовления датчиков, не требующая сложного
технологического оборудования при массовом производстве;
• Низкая стоимость в сочетании с высокими техническими
характеристиками;
• Возможность простыми техническими средствами компенсировать
влияние внешних факторов
;
• Стабильность характеристик в течение всего срока службы.
Анализ мирового рынка весов показывает, что основные фирмы-
производители весового оборудования выпускают весы, построенные на
тензометрических датчиках.
5.2 Тензорезиситивные датчики
Тензодатчик – это гибкий резистивный чувствительный элемент,
сопротивление которого пропорционально приложенному механическому
напряжению (величине деформации). Все тензодатчики построены на основе
пьезорезистивного эффекта
. Для получения хорошей чувствительности
датчик должен иметь длинные продольные участки и короткие поперечные.
Обычно тензодатчики включаются в мостовые схемы Уитстона. Необходимо
учитывать, что полупроводниковые тензодатчики обладают высокой
чувствительностью не только к усилиям, но и к температуре. Поэтому
необходимо предусматривать цепи температурной компенсации.
Рис. 5.2 Схема тензорезистора: 1 – резистор; 2 – выводы;
3 – основа; 4 – покрытие; 5 – разметка осей.
Рис. 5.3 Консольные тензорезистивные измерительные преобразователи.
Рис. 5.4 Трубчатый и кольцевой варианты исполнения тензорезистивного
датчика усилий.
Рис. 5.5 Мостовая схема включения тензорезисторов.
Рис. 5.6 Схема расположения тензорезисторов для измерения крутящего
момента на валу.
5.3 Применение пьезоэлектрического и магнитоупругого эффектов для
измерения усилий
Пьезоэлектрические вибрационные датчики, реализованные в виде
кабелей, строятся на основе пьезоэлектрического эффекта: при сжатии
внешней поверхности такого кабеля на его внутреннем проводнике
появляется электрический сигнал.
Пьезоэлектрические кабели используются для мониторинга лопастей
компрессора в самолетных двигателях турбинного типа. Такие кабели также
применяются при анализе потока транспорта на автострадах. Для этого
кабели монтируются в дорожное покрытие перпендикулярно движению
транспорта. При соответствующей установке и эксплуатации срок службы
таких датчиков составляет, по крайней мере, пять лет.
(В)
Рис. 5.7 Кристалл пьезокварца (А) и датчики динамических (Б) и
статических (В) усилий на его основе.
Рис. 5.8 Пьезоэлектрический датчик динамических усилий:
1 – силопередающие элементы; 2 – корпус;
3 – пьезоэлементы; 4 – токосъемный электрод.
Рис. 5.9 Применение пьезоэлектрических кабелей для мониторинга
автомобильных дорог.
Рассмотренные в предыдущем разделе пьезоэлектрические датчики в
основном не предназначены для проведения точных измерений силы.
С целью
улучшения их метрологических характеристик принимают дополнительные меры.
Например, реализуют дифференциальный принцип измерения.
Рис. 5.10 Варианты исполнения дифференциальных амплитудных и
частотных пьезоэлектрических преобразователей статический усилий.
Рис. 5.11 Дифференциальный датчики усилий с двумя степенями свободы: 1
– пьезотрансформаторы; 2 – измерительная схема;
3 – элемент акустической связи.
В промышленности для измерения усилий широко применяются
конструктивно простые, надежные в работе индуктивные датчики усилий.
Рис. 5.12 Датчик усилий на основе магнитоупругого первичного
преобразователя: 1 - обмотка катушки индуктивности;
2 – магнитопровод.
Рис. 5.13 Разновидности магнитоупругих преобразователей:
индуктивного (а, 6) и трансформаторного (в, г) типов