Реферат: Проектирование датчика

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

ИЦ

ТР

УЭ

Где УЭ упругий элемент, ТР тензорезистор, ИЦ измерительная цепь. Измеряемая сила Fx прикладывается к УЭ так, что он деформируется на величину Е₁ . Деформация УЭ воспринимается установленным на него тензористорами, которые изменяют свое сопротивление на величину Е_R 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.

5. ВЫБОР ТЕНЗОРЕЗИСТОРА.

По таблице 2.1[1] стр.25 выбираем проволочный тензорезистор типа КБ, со следующими данными:

· Предельная измеряемая деформация Е=0,005

· Коэффициент тензочувствительности S=1,92,25

· Температурная мультипликативная погрешность γ_t =-3,0%

· Ползучесть П=1,5%

· Номинальное сопротивление R=100400 Ом

· Разброс сопротивления в группе ΔR=0,1%

· Размеры: база - 20 мм

Длина - 30 мм

Ширина - 6 мм

6. ВЫБОР И РАСЧЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

В датчике силы практически всегда используется мостовая измерительная цепь с 4 рабочими плечами. Ее вид представлен на рис.3.2 [1] стр.37, тут же приведен ее расчет.

7. ВЫБОР И РАСЧЕТ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА.

7.1 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.

При выборе схем установки тензорезисторов необходимо руководствоваться знаниями о зонах деформации. 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.

7.2 Выбор наружного радиуса.

Для расчета диметра кольцевого упругого элемента используется теория расчета тонких колец малой кривизны [1 стр. 52].

Величина вертикального жесткого участка упругого элемента характеризуется углом 90⁰ -l_2. Зависимость этого угла от l₁ показана на рис.3.5 [1 стр.54]. кривая 3 представляет зависимость между углами жесткого участка, при которых перемещения по вертикальной и горизонтальной осям одинаковы, т.е. формируем условия одинаковой работы тензорезисторов растяжения и сжатия. Из конструктивных соображений заделки опор и укрепления подушки выбираем минимальный угол 90⁰ -l₂ =15⁰ , отсюда l₂ =75⁰ , тогда в соответствии с кривой 3 l₁ =12,5⁰ .

7.3 Выбор ширины кольца.

Ширину кольца примем равную 10 мм, т.к. ширина тензорезистора 8 мм.

7.4 Выбор материала упругого элемента.