Датчики для измерения силы, давления, веса

В тех случаях, когда необходимо измерить величину силы, давления, веса, крутящего момента, применяют различные датчики, реагирующие на эти физические величины.

Датчики контактного сопротивления. Принцип работы этих датчиков основан на изменении контактного сопротивления между проводящими элементами, разделенными слоями полупроводящего материала, под действием силы сжатия или растяжения. Они выполняются в виде столбика из слоев электропроводящей бумаги или металлических пластин 3, на которые путем распыления наносится высокоомный резисторный слой (рис. 2.20). При изменении давления Ρ от 0 до 10⁵ Па сопротивление такого столбика изменяется от 100 до 2 кОм, следовательно, изменяется и ток питания, по величине которого определяется сила сжатия (растяжения). Сопротивление такого столбика складывается из сопротивления самих пластин (элементов) R_Э и сопротивления контактной поверхности R_K. Соответственно полное сопротивление будет составлять

где k — коэффициент пропорциональности, Ρ — усилие сжатия (растяжения).

Они просты по конструкции, имеют достаточно большую выходную мощность. К числу недостатков следует отнести относительно высокую погрешность (до 10 %) из-за остаточных деформаций слоев пластин.

Проволочные датчики (тензорезисторы). Проволочный датчик использует зависимость сопротивления проволоки при ее упругих деформациях. Он (рис. 2.21, а) состоит из проволочной решетки 1, которая обклеивается тонкой изолирующей бумагой 2 или лаковой пленкой. Материалом проволоки служат констан-тан, нихром и другие сплавы. С увеличением относительной деформации проволоки ε = Δ l/l под действием силы увеличивается или уменьшается ее относительное сопротивление Δ R/R, а следовательно, и величина тока питания, который подводится

к решетке. Эти датчики характеризуются так называемой тен-зочувствительностью, которая определяется как

Такие датчики приклеиваются к исследуемой детали и деформируются вместе с нею. Под действием усилия проволока, деформируясь, изменяет свое сопротивление, а следовательно, изменяется и ток, который протекает по решетке. По величине этого тока и судят о возникающих усилиях в исследуемой де-

Рис. 2.21. Схемы датчиков усилий

тали. Предварительно датчики тарируются. В последнее время широкое применение находят фольговые датчики (рис. 2.21, б), в которых тонкая проволока заменяется тонкой фольговой бумагой. Такие датчики лучше приклеиваются и допускают относительно большие токи, чем датчики из проволоки. У них также отсутствуют погрешности изменения относительной деформации за счет расширения поперечных участков.

В последнее время широкое применение получили интегральные полупроводниковые тензорезисторы, представляющие собой полупроводниковый слой (кремний, сапфир), который наносится непосредственно на металл. Это исключает всякие погрешности при деформациях слоя полупроводника и металла. Работа такого датчика сводится к следующему. К полупроводниковому слою подключают слабый источник тока. При деформации металла и полупроводника изменяется относительная деформация, а следовательно, и величина тока, по которому можно судить о величине усилий, приложенных к исследуемой детали. Такие датчики предварительно тарируются.

Пьезоэлектрические датчики. Действие пьезоэлектрических датчиков основано на свойстве некоторых кристаллов (кварца, турмалина) преобразовывать механические деформации в изменение заряда электричества на их гранях (прямой пьезоэф-фект). В корпусе датчика 1 (рис. 2.21, в) уложены кристаллические пластины 3. Усилие Ρ воспринимается опорной плитой 2 и корпусом 1. При сжатии пластин кристалла на их поверхностях возникают заряды электричества, величина которых составляет

q = k_ПP,

где k_П — пьезоэлектрический модуль в кулонах, Па∙Н; Ρ — усилие сжатия.

Возникающее при деформации пластинки напряжение составляет

U = q/C,

где С — емкость между обкладками кристалла;

С=εS/d,

где ε — диэлектрическая проницаемость материала пластинки, с/Ом · см; S — площадь пластин, см²; d — толщина пластины, см.

Напряжение, снимаемое с пьезоэлемента, очень мало и поэтому требует усиления. Статическая характеристика этих датчиков плавного действия. С динамической точки зрения они являются безынерционными элементами, поэтому их наиболее эффективно использовать в быстропротекающих динамических процессах.

Датчики с обратным пьезоэффектом применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний (см. рис. 2.17, в). Если к пластинам такого кристалла приложить напряжение высокой частоты, то она (пластина) начнет деформироваться с той же частотой, вызывая колебания воздушной среды (ультразвуковые колебания).

Магнитоупругие датчики. В качестве воспринимающих элементов усилия применяют также и магнитоупругие датчики (рис. 2.22, а), действие которых основано на свойстве ряда ферромагнитных материалов изменять свою магнитную проницаемость при изменении механических напряжений в материале под действием внешних сил Р, т. е.

Ρ → σ → μ → R_M → Ζ →I_н,

где Ρ — усилие; σ — напряжение материала; μ — магнитная проницаемость; R_M — магнитное сопротивление системы; Ζ —

Рис. 2.22. Магнитоупругие датчики усилий

полное сопротивление цепи; I _н — ток, протекающий по нагрузке (измерительный).

Магнитоупругий эффект характеризуется относительной чувствительностью, которая определяется как

где Δμ/μ — относительное приращение магнитной проницаемости, Δ l/l — относительная деформация.

Изменение магнитной проницаемости проявляется и при скручивании стержня (рис. 2.22, б). Если пропустить переменный ток через стержень 1, на который действует М_кр, то в силу магнитоанизатропных свойств материала (несимметричной деформации магнитного потока) в стержне, кроме кругового магнитного потока, возникает также и продольный магнитный поток, наводящий в обмотке 2 намоточный на стержень ЭДС, пропорциональную М_кр. Такие датчики служат для измерения крутящего момента.

Дата добавления: 2015-08-27