Датчики усилия

Лабораторная работа №7

«Изучение принципа работы и исследование характеристики тензометрического датчика усилия»

Выполнил:

Ст. гр. РНГМ-05-2

Новицкая Б.С.

Проверил:

Токарев В.В.

Пермь, 2009

Цель работы

Целью лабораторной работы является знакомство с устройством и принципом работы тензометрических датчиков усилия, а так же с аппаратурой регистрирующей сигнал этого датчика. В лабораторной работе студенты знакомятся с методами и приемами исследования характеристик этого датчика.

Датчики усилия

Различают три типа датчиков усилия и момента: тензометрические, магнитострикционные и пьезометрические

Основой такого датчика является тензометрический чувствительный элемент, представленный на рис1.а. Тензометрический чувствительный элемент состоит из изоляционной подложки 1 и наклеенной на нее петлевой обмотки 2, выполненной из тонкой проволоки с высоким омическим сопротивлением или вырубленной из микронной фольги с аналогичными свойствами материала. В свою очередь, подложка наклеивается на деформируемый усилием F элемент 3.

Рис. 1. Тензометрический элемент (а) и его подключение в измерительную схему (б).

При совместной деформации под действием усилия F элемента 3 и тензометрического элемента деформируется подложка 1 с петлевой обмоткой 2. По закону Гука любая продольная деформация тела вызывает появление его поперечной деформации, поэтому при продольной деформации петлевой обмотки на величину ΔL происходит изменение поперечного сечения ее провода (или фольги), что, в свою очередь, по закону Ома вызывает пропорциональное изменение омического сопротивления этой обмотки на величину ΔR.

Эта пропорциональность может быть отражена следующей математической зависимостью:

поэтому

где L - длина петлевой обмотки;

R - сопротивление петлевой обмотки.

Даже при значительном удлинении петлевой обмотки величина изменения ее сопротивления составит доли Ома, поэтому, чтобы уверенно зафиксировать изменение выходного сигнала, применяют мостовую схему подключения тензоэлементов, представленную на рис. 1,6. По этой схеме в одно из плеч резисторного моста вводятся сопротивления рабочего и компенсационного тензоэлементов, при этом деформируется только рабочий тензоэлемент с сопротивлением R_р,_д, а компенсационный тензоэлемент с сопротивлением R_кд является в этом мосте недеформируемым элементом сравнения.

При отсутствии деформации на измерительном мосте сопротивления рабочего и компенсационного датчиков одинаковы, поэтому напряжение от источника питания ~U в точках А и В будет одинаково, следовательно, и сигнал U_ВЬх равен нулю. Для балансировки параметров рабочего и компенсационного датчиков в схему вводятся уравновешивающие сопротивления R₁ иR₂, причем

сопротивление R₂ является регулируемым и подключается по схеме потенциометра. Этот потенциометр применяют для настройки нулевого уровня выходного сигнала датчика.

При подаче деформирующей нагрузки на рабочий датчик его сопротивление меняется, а поэтому в точках А и В появляется разность потенциалов, которая фиксируется как выходной сигнал измерительным элементом в этой схеме..

3. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕЗОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УСИЛИЯ «Мерадат К-10А-00,15-СЗ»

Тензометрический (тензорезистоный) датчик «Мерадат К-10А-00,15-СЗ» серийно выпускается подразделением «Уралвес» Научно-производственного предприятия «Системы контроля». Датчик предназначен для преобразования веса измеряемой массы в нормированный электрический сигнал. Он может быть использован как в силоизмеритльных системах, так и в системах измерения веса.

Датчик состоит из упругого элемента, штуцера для ввода кабеля, тензоэлементов (тензорезисторов), соединенных по мостовой схеме (рис. 1.6), и элементов терокомпенсации и нормирования сигнала. Место наклейки тензорезисторов и место расположения элементов нормирования, термокомпенации сигнала загерметизировано и закрыто пластиной. Измеряемое усилие, воздействующее на деформируемый элемент датчика, в свою очередь вызывает деформацию фольговых тензорезисторов, подключенных в измерительный мост согласно схемы, показанной на рис. 1,6. На диагональ этого моста подается постоянное напряжение величиной от 5 до 12 вольт с блока питания. С противоположной диагонали моста снимается выходной сигнал, который поступает на устройство его терокомпенсации и нормирования. Нормированный выходной сигнал подается на систему его регистрации.

Измеряемое значение нагрузки определяется по формуле:

Рис. 2. Общий вид стенда для снятия характеристики датчика усилия.

Где: Р_х - измеряемое значение нагрузки; Рнпи - верхний предел измерения; Ux - выходной сигал датчика; U₀ — напряжение питания датчика; К - коэффициент передачи.

Для снятия характеристики датчика «Мерадат К-ЮА-00,15» разработан стенд, общий вид которого показан на рис.2.

Сам датчик 2 на этом стенде консольно закреплен к раме панели стенда. Для создания необходимой деформации чувствительного элемента датчика на нем закреплен рычаг 3, на котором помещается нагрузочное устройство 4. Это устройство состоит из груза с подвешивающим устройством, которое может свободно перемещаться вдоль рычага. При перемещении груза вдоль рычага обеспечивается возможность изменения воздействия нагрузочного момента на чувствительный элемент датчика.

Выходной сигнал датчика поступает на измерительное устройство 1 типа «ТРМ-200» фирмы «ОВЕН». Схема подключения датчика к этому устройству показана на рис, 3.

Рис.3. Схема подключения датчика «Мерадат К-10А-ОО,15-СЗ» к измерительному устройству «ТРМ-200».

Измерительное устройство «ТРМ-200» предназначено для измерения величины уровня входного сигнала, который должен быть представлен в нормализованной форме в виде напряжения величиной от нуля до одного вольта или в виде токового сигнала величиной от 4 до 20 мА.

Этот измеритель позволяет осуществлять следующие функции:

• измерение физических величин сигналов формируемых стандартными датчиками;

• измерение разности двух смежных измеряемых величии;

• отображение текущего значения измеряемой величины на встроенном цифровом индикаторе;

• передачу текущего значения измеряемой величины к компьютеру по интерфейсу RS 485.

Работа измерительного устройства «ТРМ-200» происходит под управлением микропроцессора по специальной программе, записанной в его памяти. По этой программе можно менять режимы работы измерительного устройства «ТРМ-200».

В нашем случае эта программа постоянна и менять ее не требуется. По этой программе происходит периодический опрос датчика с заданным интервалом времени. Значение входного сигнала с датчика переводится

устройством в цифровую форму, которая тут же отражается на цифровом главном (красном) индикаторе. В приборе «ТРМ-200»есть второй (зеленый) вспомогательный индикатор, который в нашем случае не используется. При включении стенда измерительное устройство «ТРМ-200» полностью готово к работе.

4. СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКА УСИЛИЯ

«Мерадат К-10А-00,15-СЗ»

До начала снятия нагрузочной характеристики датчика «Мерадат К-10А-00,15-СЗ» рассмотрим схему распределения нагрузки в элементах измерительного стенда. Такая схема представлена на рис. 4. На этом рисунке изображены следующие параметры стенда:

Рис. 4. Схема распределения нагрузки в элементах измерительного стенда

L₁ - расстояние от опоры рычага до точки воздействия на датчик; L₂— расстояние от точки воздействия рычага на датчик до места подвески груза Рф - фактическое усилие воздействия на датчик; G — вес груза.

В соответствии с этой схемой фактическое усилие Р_ф воздействия на датчик определяется по формуле:

Для снятия нагрузочной характеристики датчика «Мерадат К-10А-00-,15-СЗ» необходимо последовательно перемещать груз 4 (рис.2) слева на право с дискретностью в 3 см. Каждое из этих дискретных положений груза отмечено соответствующей выемкой на поверхности ребра рычага. На каждом положении груза необходимо снимать цифровое состояние индикатора 1. Данные о положении груза и цифрового состояния индикатора заносятся в таблицу 1. При этом значение расстояния L₂ дискретно записано в столбце 2, а показания цифрового индикатора заносятся в столбец 3 после каждого перемещения груза.

№ п/п	Расстояние L2 (см)	Показания индикатора	Величина сигнала Ux(b)	Величина усилия Рф (кГ)	Величина усилия Рx (кГ)	Величина коэффициента К
		0,17	0,034	3,675	0,425	8,65
		0,19	0,038	4,463	0,475	9,39
		0,20	0,040	5,250	0,500	10,50
		0,22	0,044	6,038	0,550	10,98
		0,24	0,048	6,825	0,600	11,38
		0,26	0,052	7,613	0,650	11,71
		0,28	0,056	8,400	0,700	12,00
		0,30	0,060	9,188	0,750	12,25
		0,32	0,064	9,975	0,800	12,47
		0,34	0,068	10,763	0,850	12,66
		0,36	0,072	11,550	0,900	12,83
		0,38	0,076	12,338	0,950	12,99
		0,36	0,072	11,550	0,900	12,83
		0,34	0,068	10,763	0,850	12,66
		0,32	0,064	9,975	0,800	12,47
		0,30	0,060	9,188	0,750	12,25
		0,28	0,056	8,400	0,700	12,00
		0,26	0,052	7,613	0,650	11,71
		0,24	0,048	6,825	0,600	11,38
		0,22	0,044	6,038	0,550	10,98
		0,20	0,040	5,250	0,500	10,50
		0,19	0,038	4,463	0,475	9,39
		0,17	0,034	3,675	0,425	8,65

После заполнения столбцов 2 и 3 содержание остальных столбцов этой таблицы получают расчетным путем. Содержание каждой строки столбца 4 получают в результате умножения соответствующей строки столбца 3 на число 0,2. При этом показания цифрового вольтметра переводятся в вольты. Содержание строк столбца 5 получают расчетом по формуле 4. При этом величина L₁=8 см постоянна а величину L₂ выбирают из соответствующей строки столбца 2. Значение параметра G=2,1 кГ. Содержание строк столбца 6 получают расчетом по формуле 3. При этом k=1 и в последующем уточняют ее значение. Кроме того в этом случае параметры U₀=12В а 150 кГ.

После заполнения столбцов 5 и 6 уточняем значение k по формуле:

По данным этой таблицы 1 нужно построить следующие графики: P_x=f(U_x); Р_ф= f(U_x);; K=f(U_x).

Дата добавления: 2015-11-28